Nació en Madrid de ascendencia campurriana. Pasó la mayor de su vida en la capital española, aunque siempre mantuvo una estrecha relación con la tierra de sus mayores, a la que dedicó buena parte de sus investigaciones:

[...] la tierra de Reinosa y sus montes, donde vivieron y descansaron todas las generaciones de mis antepasados, hasta la que en 1352 aparece inscrita en el Becerro de las Behetrías.^[2]​

Licenciado en ciencias y en derecho por la Universidad Central de Madrid. De inquietudes reformistas, ocasionalmente ejerció el activismo político, llegando a militar durante unos años en el Partido Republicano Reformista. Colaboró con el antropólogo Manuel Antón y Ferrándiz, quien influyó notablemente en su concepción cientificista.

Becario del Museo de Historia Natural y la Escuela de Antropología de París, donde se adaptó al estudio moderno de la antropología, al tiempo que trabajó junto a Telesforo de Aranzadi con quien colaboró en estudios como las Lecciones de antropología y la Etnografía: sus bases, métodos y aplicaciones a España (1917). Tras ampliar su formación en París y Berlín con una beca de la JAE,^[3]​ creó el seminario de "Folclore y Artes Populares" de la Escuela Normal del Magisterio.^[4]​

En 1923 fue elegido senador por la provincia de Santander.^[5]​ En 1933 fue elegido miembro de la Real Academia de Ciencias Exactas, Físicas y Naturales aunque no tomaría posesión hasta 1943.^[6]​ Se jubiló al empezar la Guerra Civil, que estalló estando en Santander, de donde tuvo que huir a Francia por estar su familia y él mismo amenazados por los milicianos republicanos, pese a sus tendencias progresistas y su republicanismo. Terminada la contienda, siguió investigando hasta que le llegó la muerte.^[2]​ En esta última etapa de su vida, fue fundamental la ayuda de su hija y colaboradora, Nieves de Hoyos Sancho.

Hoyos Sainz fue un escritor muy prolífico, autor de gran cantidad de ensayos, artículos científicos y periodísticos y de ponencias relacionadas con la antropología, la etnografía, la geografía y la sociología española. Entre su dilatada obra cabe destacar:

• [En colaboración con Telesforo de Aranzadi Unamuno] Lecciones de antropología ajustadas al programa y explicaciones del profesor de la asignatura Don Manuel Antón. Madrid. Imprenta y Litografía de los Huérfanos, 1893.
• El nudo cántabro-ibérico y el Pico de Tres Mares (Santander). Madrid, Huelves y Compañía, 1929.
• [En colaboración con Telesforo de Aranzadi Unamuno] Unidades y constantes de la crania hispánica. Madrid, E. Arias 1911.
• Etnografía: Sus bases, sus métodos y aplicaciones a España, II. Madrid, Biblioteca Corona, 1917.
• [En colaboración con Telesforo de Aranzadi Unamuno] Unidades y constantes de la crania hispánica. Un avance a la antropología de España. Madrid, Fortanet, 1892.
• El índice de robustez de los escolares en España. Cádiz, Asociación Española para el Progreso de las Ciencias, 1928.
• Calificación higiénica de las Escuelas Nacionales de Madrid. Madrid, Asociación Española para el Progreso de las Ciencias, 1928.
• Elementos de derecho usual. Madrid. Imprenta y Litografía del Colegio de Huérfanos, 1894.
• Técnica antropológica. Madrid. Imprenta y Litografía del Colegio de Huérfanos, 1893.
• "Por la España agrícola". Artículos publicados en 1918 en el diario El Sol.
• Raciología prehistórica española. Discurso de ingreso en la Real Academia de Ciencias Exactas, Físicas y Naturales, 1943.
• Distribución geográfica de los grupos sanguíneos en España. Madrid, CSIC 1947.
• Manual de folklore, en colaboración con Nieves de Hoyos Sancho, Revista de Occidente 1947.
• La densidad de población y el acrecentamiento en España. Madrid, Instituto Juan Sebastián Elcano, 1953.