Фамилия Черноголовая строится по редкой для русских фамилий модели. Если подавляющее большинство фамилий образовано суффиксами -ов/-ев, -ин, -ский, то здесь мы видим окончание -ая, типичное для полных прилагательных женского рода. Это сразу подсказывает, что перед нами не «сын Черноголового» (было бы Черноголовов), а прозвище, перешедшее в фамилию в форме прилагательного. Такие фамилии часто встречаются на юге России и Украины, где была распространена традиция записывать прозвища именно в такой грамматической форме.

Основа фамилии — «черная голова». Прозвище Черноголовый могли дать человеку с очень темными, черными волосами, причем, скорее всего, густыми и заметными. Это не просто «брюнет», а именно обладатель выделяющейся черной шевелюры. В народной культуре такое прозвище могло быть и нейтрально-описательным, и указывать на внешность, которая бросалась в глаза.

Есть и другая, менее очевидная версия, связанная с ремеслом или бытом. В некоторых говорах «черноголовкой» называли растение (например, головчатку или василек), а также сорт темной пшеницы. Однако в основе фамилии лежит именно прилагательное, описывающее человека, а не предмет, поэтому версия с растением маловероятна. Прозвище по внешности — самый прямой и надежный путь.

Фамилия Черноголовая — женская по форме, но носительницей могла быть и женщина, и мужчина (в документах XIX века женщин часто записывали по отцу или мужу в такой форме). В современном употреблении фамилия склоняется как прилагательное: нет Черноголовой, дать Черноголовой. Встречается она нечасто, в основном в южных областях России и на востоке Украины.

Родственную фамилию Черноголов — более короткую, без окончания -ая — носил известный советский химик, академик Александр Черноголов. Но Черноголовая — самостоятельное образование, а не вариант той же фамилии. Разница в суффиксе указывает на разную историю: Черноголов — это, скорее всего, «сын Черноголового» (форма родительного падежа), а Черноголовая — прямое прозвище, сохраненное в документах.