Do ảnh hưởng từ sự giáo dục của mẹ, ông sớm ý thức về lòng yêu nước. Năm 1908, hưởng ứng phong trào Đông Du, ông du học sang Nhật học tập. Ông được Phan Bội Châu cử đi học cùng một số học sinh khác tại Trường võ bị “Chấn Vũ” tại Tô-ki-ô (Nhật Bản). Tại đây ông lấy tên là Hồ Hinh Sơn và học cùng lớp với Tưởng Giới Thạch. Khi các du học sinh Việt Nam ở Nhật bị trục xuất, ông sang ngụ ở Bắc Kinh (Trung Quốc), rồi xin vào học trường Võ bị Bắc Kinh, Trường Sĩ quan Bảo Định – Hà Nam, tiếp tục cùng khóa với Tưởng Giới Thạch. Hồ Học Lãm tốt nghiệp năm 1911.

Tốt nghiệp, ông trở thành một sĩ quan cao cấp trong quân đội Trung Quốc, nhưng trong lòng ông vẫn hướng về tổ quốc. Ông tham gia cuộc cách mạng Tân Hợi – 1911 do Tôn Trung Sơn, lãnh tụ Quốc dân Đảng lãnh đạo. Sau ngày Tổng thống Tôn Trung Sơn qua đời (1925), Tưởng Giới Thạch làm binh biến (1927) thay đổi đường lối chính trị, ông vẫn được nể trọng, trở thành một sĩ quan cao cấp của quân đội Tưởng, được điều công tác về Bộ Tổng Tham mưu tại Nam Kinh – Giang Tô. Khi Hồ Tùng Mậu và các đồng chí thành lập An Nam Cộng sản Đảng tại Hồng Kông, Hồ Học Lãm được mời tham gia nhưng ông đã từ chối vì ông bề ngoài là cán bộ của Quốc dân đảng Trung Quốc, sẽ tiện cho việc bí mật giúp đỡ phong trào cách mạng của Nguyễn Ái Quốc. Gia đình ông là điểm hẹn, cơ sở đón tiếp các chiến sĩ cách mạng Việt Nam đến bàn việc cứu nước, giải phóng dân tộc như Hồ Tùng Mậu, Lê Hồng Sơn, Trịnh Đông Hải…, sau đó là Lê Hồng Phong, Nguyễn Thị Minh Khai, Hà Huy Tập, Phùng Chí Kiên… Đây cũng là nơi cung cấp tin tức mỗi khi người của Việt Nam bị bắt hoặc bị đe dọa đến tính mạng.[3]

Năm 1936, ông tham gia tổ chức Việt Nam Độc lập Vận động Đồng minh Hội của Kỳ Ngoại hầu Cường Để và dùng tiền riêng để ra một tờ tạp chí nhỏ bằng chữ Hán lấy tên là Việt Thanh. Nhưng tổ chức này chỉ hoạt động được trong một thời gian ngắn. Tờ Việt Thanh chỉ ra được 3 - 4 số thì đình bản vì hết kinh phí. Sau ông gia nhập Việt Nam Quang phục Hội của Phan Bội Châu, và được cử giữ chức Ủy viên huấn luyện.

Năm 1940, ông ốm nặng, phải nằm bệnh viện tại Quế Lâm (Trung Quốc).

Cuối năm ấy, tình hình cách mạng đã thay đổi, được sự lãnh đạo trực tiếp của Nguyễn Ái Quốc, Biện sự xứ hải ngoại của Việt Minh được thành lập ở Quế Lâm, Hồ Học Lãm được mời làm Chủ nhiệm,[4] Phạm Văn Đồng làm Phó chủ nhiệm. Hội Trung-Việt văn hóa cách mạng đồng chí được thành lập, Hồ Học Lãm và Phạm Văn Đồng đều tham gia Ban lý sự với tư cách là Chánh, Phó Chủ nhiệm Việt Minh.

Hồ Học Lãm bị suy tim, hen suyễn nặng, mất tại Quế Lâm ngày 8 tháng 3 năm Quý Mùi, tức ngày 12 tháng 4 năm 1943, hưởng thọ 60 tuổi, được rất nhiều sĩ phu thương tiếc.[5] Trước khi mất ông dặn gia đình thay mình, việc gì đoàn thể giao, làm được thì nhận, làm thật tốt để xứng đáng niềm tin của lãnh tụ và truyền thống của dòng tộc họ Hồ.

Theo Thiếu tướng Lê Thiết Hùng (đại sứ Việt Nam tại Triều Tiên), Hồ Chí Minh từng có ý định khi cách mạng thành công sẽ mời Hồ Học Lãm về làm Chủ tịch nước.