Jens Østerholm var uddannet som typograf og startede som elev på Odense Teater 1951-52. Han havde spillet flere mindre roller på den fynske scene, da han - efter at have læst hos Paula Illemann Feder - besluttede at gennemgå Det Kongelige Teaters elevskole. Han blev i 1952 indstillet af direktør Helge Rungwald og efter afgangsprøven i 1954 blev han engageret til Odense Teater, hvor han debuterede i "En, to, tre". Samme år debuterede han som revyskuespiller i Rottefælden i Svendborg. Han var ansat ved Odense Teater fra 1954-1960 og spillede bl.a. Jimmy Porters ven i "Ung vrede" og fik sit gennembrud som arbejderstudent i komedien "De sjove år" i 1959. Derefter kom han til Allé Scenen indtil 1962, hvor han bl.a. spillede fyrstinden Grace i "Gidslet". Sit gennembrud på film kom med Palle Kjærulff-Schmidts og Rifbjergs "Week-end" i 1962. I begyndelsen af 1960erne spillede han også hovedrollen som Svend Gønge i filmene "Gøngehøvdingen" og "Dronningens Vagtmester" og han fik desuden rolle i "To". I 1963 tog han til Sverige med sin svenske hustru skuespillerinden Marianne Wesén (23-01-1940) og var i tre år fast knyttet til det svenske tv-teater, hvor han havde en række store roller og på få år blev den mest benyttede skuespiller. Fra 1968 var han fastansat på Det Kongelige Teater, som han i skuffelse forlod kun tre år efter grundet mindre roller. Senere kom han til Odense Teater, hvor han spillede med i "Guys and Dolls", "Natten er dagens mor" og "Kaos er nabo til Gud", ligesom han viste komisk talent i "Larm i kulissen". Han har desuden spillet med i "Peer Gynt" og "Lang dags rejse mod nat" og "Den gamle dame besøger byen". Sidst i 1970erne var han knyttet til Det kgl. Teater, men forlod det og fik derefter opgaver bl.a. på Bristol Teatret, Fiolteatret, Allé-Scenen, Scala, Gladsaxe Teater, Det danske Teater, Den jyske Opera, Svalegangen i Århus og Blaksted-turneen. Han levede i slutningen af 1960erne og begyndelsen af 1970erne i papirløst ægteskab med skuespillerinden Birgitte Federspiel.