Граф, адмирал (с 25.03.1733). Сын адмирала и генерал-фельдмаршала графа Федора Алексеевича Головина (1650-1706), последнего руководителя Посольского приказа и Посольской канцелярии с 1699. С 1706 обучался (вместе с братом Александром) в Навигацкой школе. В 1708 оба брата были посланы Петром I для изучения морского дела в Англию и Голландию. Головин находился на иностранной службе 9 лет. Находясь на голландской службе, плавал в Балтийском море. Будучи на английской службе (8 лет), ходил на военном корабле в Португалию, «был в плавании» по Средиземному морю. В 1712 в Лондоне содействовал Ф.С. Салтыкову в покупке кораблей для русского флота и приглашении морских офицеров и матросов на русскую службу. В конце 1714 был посажен в тюрьму за долги; освобожден после получения из России выкупа. По возвращении в Россию в 1715 определен во флот поручиком. 3.11.1717 был экзаменован лично Петром I и произведен в поручики от флота. В 1718 назначен асессором в комиссию военного суда, учрежденного под председательством И.А. Сенявина. В апреле 1719 командирован в Ревель в команду комендант-командора Я.Ш. Фангофта; крейсировал между Готландом и побережьем Курляндии. По поручению Петра I участвовал в десанте на остров Аланд (в ночь 23-24.05.1719). В 1719 был послан в Копенгаген к кн. В.Л. Долгорукову для выяснения положения в английском флоте. 31.01.1720 Головин был произведен в капитан-лейтенанты. В 1721 оставался в ревельской эскадре, командовал кораблем «Арондель». После заключения 20.08.1721 Ништадтского мира Головин 22.10.1721 был пожалован в капитаны 3-го ранга. Затем состоял при корабельном флоте и командовал в 1723 кораблем «Принц Евгений». 14.12.1724 назначен присутствующим в Адмиралтейств-конторе.
При императрице Екатерине I в 1725 был определён к шведскому двору в качестве чрезвычайного посланника; заключил со шведским правительством два договора (в 1729 и 1730), которые были утверждены Петром II и Анной Ивановной. 28.04.1726 произведён в капитаны 2-го ранга, 5.05.1726 пожалован в генерал-адъютанты от флота (соответствовал званию капитана 1-го ранга). 28.04.1730 произведен в шаутбенахты (контр-адмирал). 21.11.1731 отозван из Стокгольма и одновременно назначен в Комиссию для рассмотрения и приведения в надлежащий порядок корабельного и галерного флотов, Адмиралтейства и всего, до морского дела относящегося. 9.04.1732 произведен в вице-адмиралы с назначением генерал-инспектором от флота и Адмиралтейства; присутствовал в Адмиралтейств-коллегий. Тогда же был награжден орденом Св. Александра Невского. 3.06.1732 Головину было пожаловано в вечное владение принадлежавшее ранее князю А.Д. Меншикову село Ивановское с деревнями и слободами (8720 душ крестьян). Головин участвовал в работе Комиссии «для рассмотрения и приведения в надлежащий порядок корабельного и галерного флотов, Адмиралтейства и всего, до морского дела относящегося», в разработке новых штатов по флоту. 25.03.1733 произведен в адмиралы и назначен президентом Адмиралтейств-коллегии. С 1737 член Комиссии строений, отвечал за строительство на Адмиралтейском острове. В 1738 Головин принял начальство над галерным портом и флотом с сохранением прежней должности.
При Анне Леопольдовне после назначения А.И. Остермана первым президентом Адмиралтейств-коллегии Головин стал вторым президентом (фактически продолжал управлять Адмиралтейств-коллегией). 10.11.1740 награжден орденом Св. Андрея Первозванного. С воцарением Елизаветы Петровны Головин и номинально, и фактически оставался во главе морского управления. В декабре 1741 Головин был определен в особую комиссию «для описи пожитков и деревень и к разобранию долгов за арестованных персон» (Остермана, Х.А. Миниха, М.Г. Головкина и др.). После восстановления Сената (12.12.1741) Головин был назначен сенатором, оставаясь президентом Адмиралтейств-коллегией. В 1742 во время русско-шведской войны 1741-1743 генерал-губернатор С.-Петербурга и главнокомандующий войсками, которые должны были защищать столицу от возможного нападения шведов. После открытия навигации находился в Кронштадте, где занимался вооружением и снабжением флота. 21.4.1743 на Головина было возложено командование всем корабельным флотом. 7-8.06. флот под командованием Головина (15 линейных кораблей, 2 фрегата и несколько мелких судов) вступил в перестрелку со шведским флотом у мыса Гангут (8 линейных кораблей, 6 фрегатов, 1 бомбардирский корабль, 2 галиота и 1 шнява), однако от решительной атаки воздержался, а шведы отступили. Действия Головина вызвали недовольство императрицы. По окончании военных действий возвратился в С.-Петербург. 18.06.1744 последовал высочайший указ о том, «что граф Головин, согласно прошениям, увольняется в отпуск для излечения болезни в Германию, к лечительным водам». Скончался в Гамбурге. Похоронен за Соборной церковью Симонова монастыря в Москве.
Был женат на Софии Никитичне Пушкиной, имел единственную дочь графиню Наталию Николаевну (1724-1767), которая была замужем за генерал-фельдмаршалом принцем Петром-Августом Гольштейн-Бек. Зятем Наталии Николаевны был И.С. Барятинский, а внуком - И.И. Барятинский. Всё своё состояние Головин завещал «жившей с ним незаконной жене Гозенфлихт» и двум их детям, однако Елизавета Петровна повелела отдать движимое и недвижимое имение Наталии Николаевне, но с запрещением закладывать и продавать что-либо из выделяемого. Один из побочных детей Головина Пётр-Густав Головин (1728—1809) служил генерал-майором в армии короля Дании Кристиана VII. Прапрапраправнук Головина - П.Б. Мансуров.
