В круг основных научных интересов В. Е. Холшевникова входили русское стиховедение, стих Пушкина и Маяковского, история русской литературы XIX–XX веков. В целом его наследие показывает тесную связь теоретико-литературных и историко-литературных проблем, характерную для петербургской стиховедческой школы. Его первое учебное пособие «Основы русского стихосложения» вышло в 1959 г., и позднее на его основе был создан неоднократно переиздававшийся учебник «Основы стиховедения: Русское стихосложение» (1962), представлявший собой не просто учебное пособие, но во многом новаторскую монографию о русском стихе, ценную в том числе и для специалистов. К началу 1960-х гг. В. Е. Холшевников определил для себя приоритетную проблему в области стиховедения — проблему поэтической интонации; впоследствии ей будет посвящена его диссертационная работа. Он также автор множества работ, посвященных разнообразным проблемам изучения стиха: типологии метрических форм, проблемам русской силлабики, силлабо-тоники и тонического стиха, истории русской рифмы и т. п. В 1970-х гг. он написал ряд статей для «Краткой литературной энциклопедии». В 1985 г. под его научной редакцией был подготовлен сборник «Анализ одного стихотворения», включавший примеры системного анализа разноплановых стихотворных текстов. Итогом научной деятельности В. Е. Холшевникова стала монография «Стиховедение и поэзия» (1991), три части которой посвящены соответственно теоретическим, историческим вопросам изучения русского стиха и проблеме анализа стихотворного текста.