Правильный вариант — "Он держал в руках непрочитанное письмо".

Слитное написание "непрочитанное" связано с тем, что в данном случае "не" указывает на качество прилагательного (или причастия) и воспринимается как часть его значения. Причастие "непрочитанное" образовано от глагола "прочитать", и "не" в этом случае фиксирует, что письмо не было прочитано. Слово "непрочитанное" обозначает геометрически целостное свойство письма, которое не было подвергнуто действию чтения.

Если бы использовалось раздельное написание "не прочитанное", это могло бы подразумевать, что "прочитанное" — это некое отдельное качество, либо акцентировалось бы дополнительное значение. Однако в данной конструкции такое раздельное написание было бы менее естественным и не соответствовало бы распространённым языковым стандартам.

Следует помнить, что правило относительно написания "не" с прилагательными и причастиями гласит, что "не" пишется слитно с теми прилагательными и причастиями, которые обозначают неотъемлемое свойство или состояние объекта (например, непрочитанный, невидимый), в то время как раздельное написание допустимо, когда "не" утрачивает часть смыслового значения слова (например, если ставится акцент на том, что данное состояние временное).