Фамилия Черноголовина — женская форма фамилии Черноголовин, и её происхождение напрямую связано с прозвищем или мирским именем Черноголов. В русской традиции такие имена давали не по цвету волос (хотя и это возможно), а чаще по внешнему признаку: человек с чёрной головой — то есть с тёмными, чёрными волосами. В крестьянской среде, где фамилии складывались из прозвищ, «Черноголов» могло быть и нейтральным описанием, и насмешливым — если, например, голова была черна от сажи или угля, что указывало на профессию угольщика, кузнеца или печника.

Модель образования фамилии стандартна для северных и центральных русских земель: основа Черноголов + суффикс -ин, указывающий на принадлежность («чей?» — черноголовин сын, то есть сын Черноголова). Суффикс -ин в русских фамилиях обычно присоединяется к основам на -а/-я, но здесь мы видим редкий случай: основа на твёрдый согласный, а суффикс -ин, что встречается реже, чем -ов, но не является исключением (сравните: Головин, Бородин). Женская форма Черноголовина — это грамматическое притяжательное прилагательное в именительном падеже.

В географическом плане фамилия Черноголовин и её варианты (Черноголов, Черноголовка) тяготеют к Поволжью и Уралу, где была распространена модель на -ин. Встречается она и в южнорусских говорах, но там чаще использовали бы суффикс -ов. Если предки были крестьянами или мещанами, прозвище могло закрепиться за целым родом, а позже — перейти в официальную фамилию после отмены крепостного права. Есть также версия, что Черноголов — это не прозвище, а топонимическое указание: человек из села Черноголовка (такие есть в Подмосковье и на Украине), но для фамилии на -ин это менее вероятно, так как топонимы обычно дают фамилии на -ский.

Спорные моменты: иногда Черноголовину пытаются связать с птицей черноголовкой (славка-черноголовка) или с растением, но это натяжка — прозвища от названий животных или растений образовывались иначе (обычно через суффиксы -к- или -иц-). Более правдоподобно, что основа — чисто описательная, как в фамилиях Белоголов, Рыжеголов, Сивоголов. В словаре Б. Унбегауна «Русские фамилии» подобные модели разбираются как типичные для «цветовых» прозвищ, но без привязки к конкретному ремеслу.

Таким образом, носительница фамилии Черноголовина может с высокой вероятностью считать, что её предок — человек с чёрными волосами или тёмной головой, возможно, работавший с углём или сажей. Фамилия не дворянская, не редкая, но и не массовая — её можно встретить в сёлах бывшей Пермской, Вятской и Нижегородской губерний.