Der Fund von keltischen Grabhügeln in der Gemarkung von Dornholzhausen lassen auf eine vorrömische Besiedlung der Region schließen.[Anm. 1]

In der römischen Zeit – die Römer drangen im 1. Jahrhundert n. Chr. in die Region vor – lag Dornholzhausen unmittelbar an der Grenze des römischen Imperiums. Die Wall-Graben-Anlage des Limes ist hier im Wald bei Dornholzhausen auf über zwei Kilometern Länge noch gut sichtbar, auf der Dorfgemarkung wurde sogar ein Wachposten nachgewiesen.[Anm. 2] Es handelte sich bei dem Wachposten um einen Turm, der in einer etwa 17 Meter breiten Unterbrechung der Wall-Graben-Anlage stand und einen Durchgang sicherte. Im Luftbild sind noch immer alte Hohlwege zu sehen, die fächerartig vom Turm weglaufen. Der Turm selbst ist heute als großer Schutthaufen mit herumliegenden Bruchsteinen gut erkennbar.[Anm. 3] In Analogie zu anderen Türmen in diesem Limesabschnitt zwischen Bad Ems und Holzhausen an der Haide ist es wahrscheinlich, dass der Turm in einem kreisförmigen Ringgraben von etwa neun Metern Durchmesser stand. Die Größe und die Bauphasen des Turmes sind ebenfalls durch den Vergleich mit anderen Wachposten rekonstruierbar. Die erste Bauphase des Turmes bestand wohl aus einem Holzturm mit einer Seitenlänge von etwa 2–3 Metern. Die zweite Bauphase war ein größerer Turm, der eine ungefähre Seitenlänge von 5 Metern hatte.[Anm. 4]  

Erstmals urkundlich erwähnt wurde Dornholzhausen 1260. „Durenholzhusen“, die damalige Bezeichnung des Dorfes, wird in der Forschung von „wasserarm“ abgeleitet.[Anm. 5] Der Ort gehörte, wie die gesamte Region, zum Vierherrischen.

Für 1479 ist ein Hofgut von etwa 75 Morgen Acker- und Wiesenfläche als Schoenecksches Erbgut belegt, dass ab 1560 in Erbfolge an die Freiherrn vom Stein fiel. Diese gaben das Gut als Lehen an vier Hofbauern. Heute befindet sich das Gut in Besitz der Grafen von Kanitz und wird von nur noch einem Pächter bewirtschaftet.[Anm. 6]

Eine eigene Kirche ist für Dornholzhausen erstmals 1480 überliefert – eine Pfarrei gab es wohl schon bei Ersterwähnung des Ortes.[Anm. 7] Das Patronatsrecht lag bis 1560 in Besitz derer von Schöneck, ging danach an die Herren vom Stein über und dann in Erbfolge an die Grafen von Kanitz, die das Recht heute noch innehaben.[Anm. 8] 1603 wurde ein Pfarrhaus erbaut, dass 1906 durch einen Neubau ersetzt wurde.[Anm. 9] Im Dreißigjährigen Krieg wurde die Kirche 1633 geplündert und die Pfarrstelle war wohl einige Jahre vakant. Erst für 1663 ist wieder ein Pfarrer überliefert.[Anm. 10]

1526 nannte man das Dorf „Holtzhusenn“ und es bestand aus acht Hausgesäßen. Ausgehend von der Annahme, dass ein Hausgesäß aus etwa 6–7 Personen bestand, hatte der Ort zu jener Zeit etwa 48–56 Einwohner und Einwohnerinnen. Für 1587 sind 11 Hausgesäße, also ungefähr 77 Personen, überliefert.[Anm. 11]

Erzbergbau ist für die Region des Mühlbachtals bis ins 16. Jahrhundert nachweisbar. In der Gemarkung Dornholzhausen bestand am Graubach, Flur Desselbach, 1583 die Blei-, Silber-, Kupfer- und Zinkerzgrube „Guter Geselle“. Nach mündlicher Überlieferung bestand die Miene aus zwei Stollen. Noch in den 1950er Jahren waren die verschütteten Eingänge durch eine Absenkung des Bodens sichtbar. Anfang 1945 sollte ein Stollen freigelegt werden und als Luftschutzbunker dienen. Durch die große Entfernung zum Dorf war dies aber unpraktikabel.[Anm. 12]

Ab dem 17. Jahrhundert ist Mühlenbetrieb in Dornholzhausen nachweisbar. Das heute als Lumpenmühle bekannte Bauwerk am Mühlbach ist erstmals 1620 als „Mühle zu Dornholtzhaußen“ belegt.[Anm. 13] Es handelte sich anfangs um eine Papier- und Lumpenmühle, die 1704 zu einer Mahlmühle umgebaut wurde. Die Mühle wurde 1742 durch starke Regenfälle, Hochwasser und der starken Strömung niedergerissen und weggespült. Sie wurde an anderer Stelle, nicht weit entfernt, wiederaufgebaut. Von dieser Mühle am neuen Standort sind heute noch die Reste der Bruchsteingrundmauer von drei Gebäuden zu sehen.[Anm. 14] Die ungünstige Lage und die Baufälligkeit der Mühle sorgten im 18. und 19. Jahrhundert für häufige Pächterwechsel, 1870 wurde die unrentable Mühle schließlich stillgelegt.[Anm. 15] Auf dem vier Kilometer langen Teilstück des Mühlbaches, der als Grenze zwischen den Gemarkungen Dornholzhausen und Singhofen dient, sind mit der Augustinermühle, der Lochmühle, der Neumühle und der Schulmühle noch vier weitere Mahlmühlen erhalten. All diese Mühlen sind heute stillgelegt. Die Neumühle lieferte von 1923–1939 den Strom für Dornholzhausen, die Schulmühle war bis zu ihrer Brandzerstörung in den 1950er Jahren noch in Betrieb und bis dahin auch ein beliebtes Ausflugsziel mit Gaststätte gewesen.[Anm. 16]

Bis ins 19. Jahrhundert gehörte das gräfliche Hofgut Gieshübel noch zu Dornholzhausen, heute liegt es in der Gemarkung Geisig.[Anm. 17]

1801 wurde ein Schulhaus mit Lehrerwohnung und Stall erbaut, dass von den drei Gemeinden Dornholzhausen, Dessighofen und Geisig getragen wurde. Bereits 1837 wurde das Schulgebäude zu klein und es wurde ein Neubau "gegenüber der Alten" errichtet. 1892 kam ein Nebengebäude – eine Scheune mit Stall – hinzu. 1906 wurde das alte Schulgebäude zur Lehrerwohnung und ein neues Gebäude für das Unterrichtszimmer erbaut.[Anm. 18] 1966 stellte die Dorfschule den Betrieb ein. Das Gebäude befindet sich seit 1972 in Privatbesitz und -nutzung.[Anm. 19]

Von 1806-1866 gehörte Dornholzhausen zum Herzogtum Nassau, danach zu Preussen.

1808 wohnten 147 Einwohner in Dornholzhausen, 1871 waren es 212.[Anm. 20] Am Ersten Weltkrieg nahmen 45 Männer aus Dornholzhausen teil, neun von ihnen kamen nicht mehr zurück.[Anm. 21] 1930 bekam die Gemeinde eine Hochdruckwasserleitung, 1939 erfolgte die Elektrifizierung des Dorfes.[Anm. 22]  Zu Beginn des Zweiten Weltkrieges hatte Dornholzhausen 184 Einwohner, 55 Männer von ihnen zogen in den Krieg. 11 davon blieben dort.[Anm. 23] Im Zweiten Weltkrieg wurden französische Kriegsgefangene für den Kanalisationsbau der Dorfstraßen herangezogen.[Anm. 24] Im März 1945 wurde die Kirche direkt von der Wehrmacht beschossen, da ein vorgeschobener Beobachter der Alliierten im Turm vermutet wurde.[Anm. 25]

1950 nahm Dornholzhausen 38 Flüchtlinge aus Ostpreußen, Pommern, Schlesien und Bassarabien auf. 1958 wurde ein erstes Gemeindehaus fertiggestellt. Ihm folgte 1982 ein größerer Neubau.[Anm. 26] Heute hat der Ort rund 220 Einwohner.[Anm. 27]

Nach dem Zweiten Weltkrieg wurde Dornholzhausen Teil des heutigen Bundeslandes Rheinland-Pfalz, gehört heute zum Landkreis Rhein-Lahn und seit 2019 zur Verbandsgemeinde Bad Ems-Nassau.