Holmbergs forskning gäller olika aspekter av valprocessens roll i den representativa demokratin, vilka han har studerat genom analyser av väljarbeteende, opinionsbildning och legislativt beteende. I en rad undersökningar från Svenska väljare (1981) till Väljare: svenskt väljarbeteende under 50 år (2004, tillsammans med H. Oscarsson) har han kartlagt förändringsmönstret