Dolina swoją nazwę zawdzięcza oddalonej o kilkanaście kilometrów wsi Chochołów. Wieś ta już w XVI wieku zajmowała obszar Tatr pomiędzy Wołowcem a Bobrowcem. Północną część doliny budują dolomity i wapienie dolomitowe, które widać już przy Siwej Polanie. W dnie Potoku Chochołowskiego można zobaczyć zielonkawe łupki i wapienie kredowe. Część południowa od Wyżniej Bramy Chochołowskiej, należy już do strefy skał krystalicznych. Gnejsy i granity można podziwiać u stóp Wielkiego Kopieńca, leżącego w widłach doliny Chochołowskiej i Starorobociańskiej. Na różnice krajobrazowe między częścią południową i północną miał wpływ lodowiec, tworzący się w kotłach pod Jarząbczym, Starorobociańskim i Wołowcem, który nie przekroczył granicy Wyżniej Bramy Chochołowskiej. Pod Wielkim Kopieńcem dochodzi do Doliny Chochołowskiej Dolina Starej Roboty. W dalszej części Chochołowska rozdziela się na Dolinę Jarząbczą i Chochołowską Wyżnią.
Wlot doliny jest bardzo ciekawy pod względem florystycznym. Jeszcze na obrzeżach TPN rozciąga się polana Molkówka - zwykle omijana przez turystów, a niesłusznie, gdyż znajduje się tutaj najstarsze tatrzańskie torfowisko, liczące ok. 10 tyś. lat, otoczone lasem świerkowym. Tuż obok, już na terenie parku leżą Siwiańskie Turnie, z największym tatrzańskie skupiskiem sosny zwyczajnej. W dolinie panują jednak lasy świerkowe, pokrywają prawie 70% jej powierzchni. Dzięki występowaniu na dolinie dużej powierzchni polan i hal, stała się ona największym ośrodkiem pasterstwa w Tatrach. W 1930 r. 70 juhasów wypasało na niej ok. 4000 owiec, ponadto 280 pastuchów wypasało bydło. Ogromna też była liczba szałasów, bacówek i szop. W czasie II wojny światowej istniejące na dolinie schroniska i liczne szałasy stanowiły bazę dla partyzantów polskich i radzieckich. W czasie walk z partyzantami Niemcy spalili te schroniska i liczne szałasy i szopy. Dolina Chochołowska była też miejscem, gdzie hitlerowcy rozstrzeliwali zakładników i więźniów.
Dolina miała też swoją przeszłość górniczą . Już od XVI w. prowadzono na niej prace górnicze i hutnicze, które trwały aż do drugiej połowy XIX wieku. Głównie wydobywano rudy żelaza, które początkowo wytapiano na miejscu, później zwożono je do huty w Kuźnicach. Niektóre nazwy w obrębie doliny związane są właśnie z tymi pracami (np. hala Stara Robota, Polana Huciska).
W Dolinie Chochołowskiej nakręcono, do filmu Potop scenę z kuligiem. Tutaj również przeprowadzane były szkolenia komandosów i zawody ratowników tatrzańskich.
Na pięknie Doliny Chochołowskiej poznali się też turyści. Początkowo turystyka skupiała się głównie w okolicach Tatr bliższych z Zakopanego. Dopiero przed I wojną światową dolina uzyskała większą popularność
Po drugiej wojnie światowej w latach 1951-1953 w miejsce spalonego przez Niemców schroniska wybudowano nowe, duże schronisko PTTK na Polanie Chochołowskiej, które stało się główną bazą wypadową turystyki letniej i zimowej w tej części Tatr. Polana Chochołowska była ulubionym miejscem turystycznym Karola Wojtyły, bywał tutaj wielokrotnie. W czerwcu 1983 roku już jako papież Jan Paweł II spotkał się w schronisku, po odbyciu spaceru do Doliny Jarząbczej z Lechem Wałęsą i jego rodziną. Wydarzenie to upamiętnia ufundowana przez przewodników tatrzańskich tablica na ścianie schroniska.
Dolina znajduje się na terenie Tatrzańskiego Parku Narodowego, ale nie jest jego własnością, lecz należy do Wspólnoty Leśnej Uprawnionych Ośmiu Wsi z siedzibą w Witowie. W 1983 r. górali odzyskali sądownie prawo do gospodarowania swoją własnością. TPN jedynie nadzoruje ich działalność. Na terenie Doliny Chochołowskiej prowadzona jest gospodarka leśna i wycinane są drzewa. Istnieje też pasterstwo, choć nie w takich rozmiarach, jak dawniej. Dzięki temu, że polany są wypasane, a niektóre również koszone nie ulegają one zarastaniu lasem, jak niestety dzieje się to na polanach będących własnością TPN.