Фамилия Головатенко — типичный пример украинской фамилии, образованной от прозвища. Её основа — прозвище Головатый, которое давали человеку с заметной, крупной головой. Украинское слово «головатий» как раз и значит «большеголовый», «головастый». В переносном смысле так могли назвать и мудреца, человека выдающегося ума — в народе ум нередко связывали с размером головы.

Суффикс -енко в фамилии указывает на происхождение от отца по формуле «чей сын». Головатенко — буквально «сын Головатого». Эта модель была самой распространённой в Левобережной Украине в XVII–XVIII веках, когда фамилии на -енко закреплялись у казаков, мещан и крестьян. В отличие от великорусских фамилий на -ов/-ев, которые указывали на принадлежность («Головатов»), украинский суффикс -енко подчёркивал родство по прямой мужской линии.

В источниках встречается и вариант с суффиксом -ат: прозвище Головат. Словарь Веселовского фиксирует родственные прозвища и фамилии того же корня: Головастик Кузьма (бобыль, 1616 г., Арзамас), Головачев Борис Григорьевич (1492 г., Переяславль), Головашкин Иван (1624 г., Суздаль). Эти записи показывают, что «голова» как основа для прозвища была популярна по всей Руси, но в украинской среде она закрепилась именно в форме с суффиксом -ат(ый) и отчеством на -енко.

География фамилии связана с южными и центральными регионами Российской империи. В Книге памяти Актюбинской области упоминается секретарь колхоза «Червонное поле» Головатенко Дмитрий Давыдович, родившийся в 1893 году в селе Софиевка Верхнеднепровского района Екатеринославской области — это нынешняя Днепропетровщина, Украина. Фамилия встречается и в России, особенно в областях, граничащих с Украиной, что подтверждает её миграционный путь вместе с переселенцами.

Из известных носителей — Анатолий Юльевич Головатенко (род. 1959), русский литератор, историк, главный редактор газеты «История» издательского дома «Первое сентября». Он редактировал журнал «Северные просторы», участвовал в создании статей для «Энциклопедии для детей» («Аванта»), «Северной энциклопедии» и «Большой энциклопедии Терра».