Han vandt guld på 400 meter og sølv på 800 meter ved EM i 1946 i Oslo. Han løb sidste tur på det danske 4 x 400 meter hold, hvor han sammen med Herluf Christensen, Knud Greenfort og Gunnar Bergsten blev nummer 4 i tiden 3.15,4 min. Han sluttede sin atletikkariere i efter en niende plads ved OL 1948 i London. Han havde den danske rekord med 47,6 på 400 meter i 27 år frem til først Jesper Tørring tangerede den i Aarhus og senere en anden Skovbakken-løber, Arne Jonsson, et halvt år senere trykkede den ned til 47,1. Hans 1,48,9 på 800 meter sat ved landskampen i Stockholm i 1943 stod i 11 år som dansk rekord, inden Gunnar Nielsen, forbedrede den på Østerbro Stadion. Som aktiv sportsudøver var Holst-Sørensen 178 cm høj og vejede 70 kg. Den militære uddannelse, Holst-Sørensen påbegyndte i 1942, fortsatte efter krigen med eksamen fra Hærens Officersskole i 1946. Året efter kom han på flyveskole i Karup. I 1965 blev han oberst og stabschef ved Flyvertaktisk Kommando; 1968–1970 var han leder af Flyvestation Karup, og i 1970 blev han generalmajor og var chef for Flyvevåbnet 1970-1982. Han