Buchholz liegt im äußersten Norden von Rheinland-Pfalz an der Grenze zu Nordrhein-Westfalen. Die Gemeinde befindet sich am Rand des Westerwaldes. Nördlich von Buchholz verläuft die Bundesstraße 8. Ein östlicher Teil des Segelfluggeländes Eudenbach liegt auf dem Gebiet der Gemeinde.
Den höchsten Punkt der Ortsgemeinde bildet der Steiner Berg bei Kölsch-Büllesbach mit einer Höhe von 283 m. Es handelt sich beim Steiner Berg um eine bewaldete vulkanische Erhebung, an der Basalt abgebaut wurde. In der Bergmitte befindet sich ein Kratersee. Unweit von Buchholz entspringt der Hanfbach. An der Grenze zum benachbarten Königswinterer Stadtteil Eudenbach befindet sich der Lökestein, ein alter Grenzstein und Naturdenkmal.
Frühe Erwähnungen Buchholz finden sich unter den Namen „Bouhols“ (1590), „Crütz zu Buchols“ (1591), „Boichholts“ (1592), „tzo Bucholtz“ (1596). Im 17. Jahrhundert wird Buchholz meist nur in Verbindung mit und nach der „Kapelle des Heiligen Creuzes Buchholz“ genannt. So finden sich im Streit um den Neubau der Oberscheider Ölmühle von 1671 für Buchholz schlicht die Bezeichnung „zú Krutz“ und später „Creutz-Capellen zu Buchholz“ (1718). Buchholz bestand zu dieser Zeit aus nicht mehr als einer Kapelle und einem Wohnhaus. Selbst der erste bekannte Kapellenknecht (1654–1660) stammte aus Solscheid, einem unmittelbar angrenzenden Wohnplatz.
Nach dem Dreißigjährigen Krieg war Buchholz nur von einer Familie bewohnt. Bei zwei weiteren Familien kann deren Abstammung auf Buchholz zurückgeführt werden. Eine lebte in der Barrig, einem heute nicht mehr existierenden Hof westlich von Buchholz, und die andere in Irmeroth. Bei allen drei Familien ist von einem verwandtschaftlichen Verhältnis zueinander auszugehen, deren gemeinsame Wurzeln in einem frühen Stammsitz Buchholz zu finden sind. Jede dieser Familien kann in ihrer Zeit als wohlhabend und einflussreich bezeichnet werden.
Buchholz entwickelte sich mit dem beginnenden 18. Jahrhundert zum Dorf. Die Bevölkerungszahl nahm stetig zu und mit ihr der Wunsch nach Eigenständigkeit. Mit der Anweisung des Kölner Erzbischofs Maximilian Franz vom 13. Juni 1787 wurde Buchholz zu einem selbstständigen Seelsorgebezirk ernannt. Neben der Vergrößerung des Kapellenbaues wurde nun auch erstmals eine Schule in Buchholz eingerichtet. Das Amt des Schulmeisters übernahm Hermann Josef Ditscheid, der Vater des ersten Pfarrers von Buchholz, Johann Hermann Josef Ditscheid. Denn schon am 10. Juli 1835 wurde Buchholz durch das Erzbistum Köln mit allen Rechten und Pflichten in den Stand einer eigenständigen Pfarre erhoben. Mit diesem letzten Schritt der Loslösung von Asbach wurden dem neuen Pfarrbezirk Buchholz die bisher zur Pfarre St. Laurentius Asbach gehörenden Wohnplätze und Ortschaften Buchholz, Büllesbach, Dammig, Diepenseifen, Griesenbach, Hähntchen, Hammelshahn, Heck, Irmeroth, Jungeroth, Krautscheid, Krautscheider Mühle, Krummenast, Mendt, Muß, Neichen, Oberelles, Oberscheid, Priesterberg, Sauerwies, Schellberg, Seifen, Steinen, Wahl, Wallau, Wallroth, Wertenbruch, Übersehns und Unterelles zugewiesen.
Mit 1800 Pfarrangehörigen war 1859 die alten Kapellen mit Platz bei weitem zu klein und so wurde am 12. Juni 1862 der Grundstein für eine neue Pfarrkirche gelegt. Bereits hundert Jahre später musste die Kirche aber wieder abgerissen werden, da beim Bau salpeterhaltiger Buchholzer Sand verwendet wurde und die Kirche stark einsturzgefährdet war. Die Abbrucharbeiten begannen am 11. Juni 1971 und die Grundsteinlegung für die neue Kirche wurde am 24. Oktober 1971, die Konsekration am 28. Juli 1973, den Vorabend der Pantaleonkirmes feierlich begangen.
Westlich von Buchholz an der heutigen Landesstraße 274 entstand ab Ende der 1930er-Jahre das Lager Buchholz des benachbarten Einsatz(flug)hafens Eudenbach auf der Musser Heide. Es diente als Unterkunftslager und verfügte über Wirtschaftsgebäude. Nach dem Zweiten Weltkrieg wurde das Lager niedergelegt.
Die Gemeinde Buchholz (Westerwald) entstand am 16. März 1974 durch den Zusammenschluss der Gemeinden Griesenbach, Krautscheid und eines Teils der aufgelösten Gemeinde Elsaff. Ein anderer Teil der Gemeinde Elsaff wurde in die Gemeinde Asbach eingegliedert. 1987 verzeichnete Buchholz ohne seine anderen Gemeindeteile 1132 Einwohner.