Fill segon de Plàcid de Montoliu i de Sarriera i germà de Cebrià de Montoliu, d’ascendència tarragonina, estudià el batxillerat als jesuïtes de Manresa i es doctorà en filosofia i lletres a Madrid el 1903, després de cursar la carrera a Barcelona. El 1908, juntament amb Antoni Griera i Pere Barnils, obtingué una borsa de la diputació provincial de Barcelona per anar a estudiar filologia romànica a Halle (Alemanya), amb els professors Schädel i Suchier. Havent retornat a Barcelona al cap de tres anys, treballà en les Oficines Lexicogràfiques de l’Institut d’Estudis Catalans, on col·laborà en el Butlletí de Dialectologia Catalana i edità, amb Pompeu Fabra, el Diccionari Aguiló. El 1920 fou lector de castellà i català a Hamburg, i el 1925 dirigí l’Instituto de Filología de la Universitat de Buenos Aires. Professor de literatura castellana a la Universitat de Barcelona durant molts anys, el 1931 no aconseguí de guanyar les oposicions per a la càtedra corresponent. El 1936 fugí a França, i a partir del 1937 treballà en l’oficina de premsa italiana, òrgan de propaganda feixista durant la guerra civil de 1936-39. El 1943, després de la mort de la seva muller, la violinista Júlia Vidal, ingressà primerament a Montserrat i després a Poblet, però no hi perseverà, i el 1945 fou elegit assessor de cultura de la diputació de Tarragona; fou també vicepresident del Patronat de Poblet i vicepresident director de l’Instituto de Estudios Tarraconenses Ramón Berenguer IV.
La seva bibliografia és molt abundosa, bé que de valor enormement desigual. Després d’una primera etapa modernista, en la qual publicà poemes i drames (1901-07), es dedicà a la crítica literària de signe idealista —inspirada en Karl Vossler— i a l’erudició, més a base d’intuïció que no de rigor, alternada amb treballs divulgatius. Les seves obres més importants són el Manual d’Història crítica de la literatura catalana moderna (1922), Goethe en la literatura catalana (1935) i Aribau i la Catalunya del seu temps (1936). Menys interès té la sèrie Les grans personalitats de la literatura catalana (1957-62), fruit d’un encàrrec de Francesc Cambó. Des del 1898 col·laborà en revistes i des del 1904 en diaris, especialment del Principat. Una part dels seus nombrosos articles, molt llegits i discutits al seu temps, foren recollits en els Estudis de literatura catalana, que foren publicats l’any 1912, i en els quatre volums del Breviari crític (1926-33). Escriví encara un bon nombre de pròlegs i féu traduccions de l’alemany, el francès, l’anglès, l’italià i el llatí.