Родился 26 (13) апреля 1909 года в г. Наро-Фоминск (ныне Московской области). После окончания школы работал на Наро-Фоминской текстильной фабрике. Посещал планерный кружок Осоавиахима, организованный на фабрике. Поступил в Московский строительный техникум, где продолжал занятия планеризмом, а затем решил избрать профессию летчика и был принят в Московскую летную школу Осоавиахима, которую окончил в 1930 году. В 1930 - 1933 годах служил инструктором, а затем командиром звена в этой же школе

В 1932 году принял участие слете планеристов в Коктебеле, где установил два мировых и один всесоюзный рекорд для полетов на планере

В 1933 году по рекомендации известного полярного летчика А. Д. Алексеева перешел на работу в полярную авиацию Главсевморпути. Возглавлял экипаж летающей лодки Дорнье-Валь (бортовой номер "СССР Н-8"), вел ледовую разведку в Карском море и море Лаптевых. Участвовал в спасательных операциях по снятию зимовщиков станции Дунай в устье Лены в 1935 году и поиску пропавшего самолета летчика М. Я. Линделя в 1936 году. Награжден орденом Красной Звезды

В 1937 году на самолете АНТ-7 (Р-6) (бортовой номер "СССР Н-166") принимал участие в экспедиции "Север-1", в ходе которой вблизи Северного полюса была организована дрейфующая станция СП-1. 22 марта его самолет вылетел на о. Рудольфа (Земля Франца-Иосифа), а 5 мая 1937 г., проводя разведывательный полет, Головин первым из советских летчиков совершил полет над Северным полюсом. 27 июня 1937 г. он был удостоен звания Героя Советского Союза

В феврале - мае 1938 года в качестве командира экипажа самолета АНТ-6 (Г-2) (бортовой номер "СССР Н-170") участвовал в операции по спасению моряков и полярников с судов "Садко", "Малыгин" и "Седов", зазимовавших в Ледовитом океане к северу от Новосибирских островов

В 1938 году перешел на авиазавод № 22 летчиком-испытателем

В 1939-1940 годах принимал участие в советско-финской войне, был командиром бомбардировщика СБ. За участие в боевых действиях был награжден орденом Красного Знамени

27 апреля 1940 г. погиб при испытании самолета СПБ (скоростной пикирующий бомбардировщик) конструкции Поликарпова

Похоронен на Новодевичьем кладбище в Москве.