Действительный тайный советник (с 1739). Младший из трех сыновей государственного канцлера графа Гавриила Ивановича Головкина (1660—1734) от брака с Домной Андреевной Дивовой (ум. 1727), брат А.Г. Головкина и И.Г. Головкина. Получив первоначальное домашнее воспитание, указом царя Петра I от 5.05.1712 послан для образования за границу; учился в Лейпциге и Галле (Германия). По возвращении в Россию пожалован в сержанты гвардии. С 1722 камер-юнкер. С 30.04.1722 по 1725 и. о. полномочного министра в Берлине. С 1726 действительный камергер. В июне 1727 удостоен ордена Св. Александра Невского. В 1730 вместе с отцом выступил в поддержку самодержавных прав Анны Ивановны. По вступлении на престол императрица Анна Ивановна назначила Головкина, женатого на ее двоюродной сестре, сенатором (март 1730), произвела в тайные советники (апрель 1730), возложила на него орден Св. Апостола Андрея Первозванного (апрель 1731) и назначила главным директором Канцелярии монетного правления и денежных дворов (1731).
Однако, не будучи назначен кабинет-министром, как того ожидал, Головкин счел себя обиженным и устранился от государственных дел. В 1733 назначен членом комиссии об улучшении медных и железных заводов России, а в 1734 — главным директором Монетной канцелярии. В 1737 состоял членом генерального собрания для суда над кн. Д.М. Голицыным. По словам современника, «в первые годы царствования государыни Анны Иоанновны граф Головкин пользовался при дворе большим уважением, но под конец благоволение монаршее к нему весьма уменьшилось, причиною тому было беспристрастное суждение этого вельможи о поступках Бирона».
После смерти Анны Ивановны выступал против регента Э.И. Бирона (октябрь-ноябрь 1740), но прямого участия в его свержении не принимал, сказавшись больным. В правление принцессы Анны Леопольдовны, двоюродной племянницы его жены, пользовался большим влиянием. С ноября 1740 вице-канцлер и кабинет-министр; вместе с князем A.M. Черкасским руководил внутренними делами государства; конфликтовал с генерал-фельдмаршалом Б.Х. Минихом, А.И. Остерманом, с принцем Антоном-Ульрихом Брауншвейгским (супругом правительницы). При определении позиции Российской империи в войне 1740–1748 за Австрийское наследство выступал против союза с Великобританией; считал необходимым заключить «тайную конвенцию» с австрийской эрцгерцогиней Марией Терезией и создать против Пруссии коалицию Австрии, Речи Посполитой, Саксонии и России. По отзывам современников, Головкин имел научные сведения, отличался добросердечием, справедливостью, гостеприимством, но не был чужд гордости, упрямства, иногда злости, любил предаваться лени и неге, презирал всех иностранцев. Пользуясь исключительным доверием правительницы, Головкин обнаружил неспособность к управлению государством. Он первый посоветовал Анне Леопольдовне объявить себя императрицей, но осуществлению этого плана помешал дворцовый переворот 25.11.1741, возведший на престол императрицу Елизавету Петровну.
Головкин, как доверенное лицо правительницы, в день переворота был арестован, заключен в Петропавловскую крепость, а затем предан суду. Обвиненный в государственной измене за сочинение «некоторого отменного о наследствии империи определения», приговорен к смертной казни, в январе 1742 заменённой императрицей лишением чинов, орденов, имущества и ссылкой на вечное поселение в Собачий Острог (Среднеколымск) в Якутии. Здесь он пробыл около 14 лет, «выходя из дома не иначе, как в сопровождении двух конвойных с ружьями, споря с местными казаками за рыболовные межи в Колыме и ежевоскресно являясь в приходскую церковь, где раз в год он был обязан, выпрямясь и скрестив на груди руки, выслушивать какую-то бумагу, а за ней увещание священника». Скончался в ссылке в возрасте 56 лет; тело его перезахоронено в Москве, в бывшем Георгиевском монастыре, между переулками Камергерским и Георгиевским, близ Дома благородного собрания.
Женат (с 1722) на кнж. Екатерине Ивановне Ромодановской (1701—1791), дочери князя-кесаря, впоследствии действительного тайного советника князя Ивана Фёдоровича Ромодановского от брака с Анастасией Фёдоровной Салтыковой, родной сестрой царицы Прасковьи Фёдоровны (супруги Царя Ивана Алексеевича), теткой императрицы Анны Ивановны. Княжна Екатерина Ивановна принесла мужу в приданое до 20 тыс. душ крепостных крестьян. С 1730 она состояла статс-дамой, пользовалась большим влиянием при Дворе своей двоюродной сестры имп. Анны Ивановны. После суда над мужем Елизавета Петровна предлагала ей остаться при Дворе, сохранив звание статс-дамы, но графиня отказалась: «На что мне почести и богатства, когда не могу разделить их с другом Моим? Я любила мужа в счастии, люблю его и в несчастии, и одной милости прошу, чтоб с ним быть неразлучно». Последовав с мужем в ссылку, разделила с ним все невзгоды жизни в якутской глуши. После смерти графа М.Г. Головкина, она вернулась из ссылки в Москву, привезя с собой прах мужа. Императрица Екатерина II возвратила ей придворное звание статс-дамы, пожаловала 4 тыс. душ крестьян и пенсию в 4 тыс. руб. Она была окружена общим почитанием. Вся родовитая Москва собиралась к ней в ее приемные дни. В ее гостиной на большом, мягком кресле всегда сидела сгорбленная старушка в простом русском платье, повязанная шелковым платком. Это была горничная графини, из преданности сопровождавшая ее в Сибирь. Всякому новому посетителю графиня представляла старушку, говоря: «Это мой лучший друг; она ни за что не хотела расстаться со мною и делила со мной мои несчастья; я считаю ее своей сестрой». Один из биографов графини писал: «Посвящая все время молитве, благотворениям и отчизнолюбию, тридцать пять лет прожила в Москве Екатерина Ивановна со дня возвращения из Сибири и очень, очень состарилась. Из близких родных графини не было уже никого на свете; все без исключения сверстники давно лежали в могиле... Много перехоронила графиня и таких старцев, которые родились после ее замужества. Сама Екатерина Ивановна легла на смертный одр почти девяноста лет от роду... Московские бедняки потеряли в графине Головкиной первейшую благодетельницу и кормилицу, а русская история — приобрела еще одну светлую личность». Она была последней представительницей древнего рода князей Ромодановских. Детей не имела.
