Holonyaks far arbejdede i en kulmine. Holonyak var det første medlem af sin familie, der modtog nogen form for formel skolegang. Han arbejdede engang 30 timer i træk på Illinois Central Railroad, før han indså, at et liv med hårdt arbejde ikke var, hvad han ønskede, og han ville foretrække at gå i skole i stedet. Ifølge Knight Ridder, "De billige og pålidelige halvlederlasere, der er afgørende for DVD-afspillere, stregkode læsere og snesevis af andre enheder, skylder deres eksistens på en lille måde til den krævende arbejdsbyrde, der blev påført Downstate jernbanebesætninger for årtier siden". Holonyak opnåede sin bachelorgrad (1950), kandidatgrad (1951), og doktorgrad (1954) i elektroteknik fra Illinois University i Urbana-Champaign.
Et liv med hårdt arbejde var ikke hvad han ønskede.