Bjarne Lysholm var utdannet lege og praktiserte i seks år, men gikk deretter inn som sjef og medeier i familiefirmaet Jørgen B. Lysholm, før han avsluttet sin karriere som bestyrer ved Vitenskapsmuseet i Trondheim. Det er som insektforsker han huskes for ettertiden, og spesielt for kartleggingen av Trøndelags billefauna.
Lysholm vokste opp i Trondheim og tok examen artium 1879. Han studerte deretter medisin ved universitetet i Kristiania, og etter embetseksamen 1887 utførte han kandidattjeneste på Rikshospitalet og praktiserte som lege et halvt år i Sioux City, Iowa, USA. 1888–91 var han kommunelege i Lardal i Vestfold og 1891–94 reservelege ved det kommunale sykehus i Trondheim.
Da faren døde 1894, overtok Bjarne Lysholm som sjef i brenneri- og destillasjonsfirmaet Jørgen B. Lysholm, der han sammen med sine to brødre også var innehaver. Samtidig opphørte i praksis hans legegjerning. 1912 ble firmaet omdannet til aksjeselskap, og Lysholm forlot bedriften. Økonomisk uavhengig kunne han samme år tiltre som bestyrer ved Det Kongelige Norske Videnskabers Selskab (DKNVS) i Trondheim for å vie seg til sine mangeårige interesser innen zoologiske og særlig entomologiske emner.
Lysholms entomologiske virksomhet startet i begynnelsen av 1890-årene. Trøndelag var på den tiden blant de entomologisk dårligst undersøkte områder i Norge. Han foretok derfor innsamlinger av biller (Coleoptera) over hele landsdelen, fra kysten – særlig Hitra – til Inderøy, Namdalen og videre nord til Vefsn, samt i Rørostraktene. Det første arbeidet ble utgitt 1896, mens hovedverket kom 1937. Trøndelag ble nå et av landets best undersøkte områder med hensyn til biller. I årene 1894–1925 foretok Lysholm dessuten en rekke innsamlinger i Nord-Norge, 1899–1909 nesten årlig. Turene gikk bl.a. til Pasvik, Neiden, Karasjok, Porsanger, Alta, Bodø, Målselvdalen og Saltdalen, ofte sammen med konservator Hans Jakob Sparre Schneider ved Tromsø Museum og datidens ledende norske coleopterolog, bergmester Thomas Georg Munster. 1898 foretok han sammen med utenlandske entomologer en lengre reise til Asia. Han publiserte også to arbeider om Trondheimsfjordens hoppekrepsfauna.
Lysholm fikk flere arter og varianter av biller oppkalt etter seg, hvorav navnet til muggbillen, Cryptophagus lysholmi Munster, fortsatt er gyldig. Lysholms billesamling på rundt ti tusen individer befinner seg i dag på Vitenskapsmuseet i Trondheim.
Også på kulturens område markerte Lysholm seg, fra studentersangforeningen og den akademiske sangforening Polyhymnia til vervene som styremedlem og formann i Trondhjems Kunstforening og Nordenfjeldske Kunstindustrimuseum. 1918 stiftet han Doktor Lysholms orkesterfond, der rentene skulle anvendes til bidrag til oppførelse av symfoniske verker for orkester i Trondheim.
Bjarne Lysholm var en av stifterne av Norsk entomologisk forening (1904) og satt i styret der i mange år. 1906–16 var han preses i DKNVS og fra 1916 æresmedlem i samme selskap. Han ble kreert til æresdoktor ved universitetet i Uppsala 1907 og utnevnt til ridder av 1. klasse av St. Olavs Orden 1911.