Koolhoven werd na zijn studie te Luik en Antwerpen in 1910 constructeur bij de Minerva-autofabrieken. Met de luchtvaartpionier  Van Wijnmalen legde hij de grondslag voor het latere vliegveld Soesterberg. Koolhoven werd hier chef van de vliegschool en technisch leider van de door de firma Verwey en Lugard gestichte Ned. Maatschappij voor Luchtvaart. Hier werd als eerste Nederlands vliegtuig de Fk 1 gebouwd.

Van 1912-20 werkte Koolhoven in Engeland bij British Duperdusin en de  British Aerial Transport Company. Na Wereldoorlog I construeerde hij als eerste een verkeersvliegtuig met een gesloten cabine, de Fk 26. In 1922 trad hij op als raadgevend ingenieur bij de  Spijker automobielfabriek en als chefconstructeur van de Nationale  Vliegtuigindustrie. Deze fabriek nam hij als  Koolhoven Vliegtuigen in 1924 over, het bedrijf werd in 1934 een NV. De bekendste typen die Koolhoven  ontwikkelde waren o.a. de Fk 33, een  driemotorig verkeersvliegtuig met de derde motor als duwmotor boven het  midden van de vleugel; de Fk 43, een taxi- en sportvliegtuig; de Fkl 46 (Het koebeest), het bekendste lesvliegtuig van de Nationale Luchtvaartschool; de Fk 48 en Fk 50, beide tweemotorige verkeersvliegtuigen; de Fk 51, een militaire trainer; de Fk 55, een experimentele eenmotorige jager met de motor in het midden van  de romp en twee tegengesteld draaiende coaxiale propellers en de Fk 58, een  eenmotorige jager die in 1939 nog aan  Frankrijk werd geleverd. De fabriek werd in de meidagen van 1940 geheel vernietigd en daarna niet meer  opgebouwd.