Ava Holmgren commence le cyclisme à l'âge de neuf ans, tout comme sa sœur jumelle Isabella[1]. Leur frère aîné Gunnar (né en 1999) est également cycliste et se spécialise dans les courses de VTT et de cyclo-cross.
Chez les juniors (17/18 ans), elle court sur route et en VTT, mais c'est en cyclo-cross où elle obtient les meilleurs résultats. En 2021, elle remporte plusieurs courses juniors aux États-Unis et en décembre de la même année, elle devient championne panaméricaine de cyclo-cross juniors. En 2022 et 2023, elle fait partie du programme de Stimulus Orbea, une équipe canadienne de soutien aux jeunes cyclistes, fondée par ses parents[2]. .
En 2024, les deux sœurs Holmgren rejoignent l'équipe professionnelle Lidl-Trek et annoncent se concentrer davantage sur le cyclisme sur route[4]. Lors du Tour de Normandie féminin 2024, elle rate de peu sa première victoire en tant que cycliste professionnelle en terminant deuxième de la dernière étape.