Фамилия Головатова — женская форма фамилии Головатов, а та, в свою очередь, принадлежит к типичной для восточнославянского ономастикона модели с суффиксом -ов. Основа здесь — прозвище Головатый, которое, в отличие от фамилии, ещё сохраняет ударение на последний слог: голова́тый. В русских говорах это слово имело два основных значения. Первое, прямое: «большеголовый», «крупноголовый» человек. Второе, переносное и гораздо более интересное: «умный», «смышлёный», «толковый». В народной речи «голова» издавна была метафорой ума и способностей, отсюда и прозвище Головатый могло доставаться не столько обладателю крупной головы, сколько человеку, которого считали сообразительным и рассудительным.

Словообразовательная модель проста и прозрачна: прилагательное на -атый, обозначающее признак (головатый — «имеющий большую или умную голову»), перешло в разряд прозвищ, а затем превратилось в фамилию через стандартный патронимический суффикс -ов. Сын Головатого становился Головатовым. Аналогичным образом, кстати, образованы фамилии Бородатов (от «бородатый»), Носатов, Пузатов — все они описывали внешнюю или внутреннюю примету родоначальника.

Интересно, что в некоторых южнорусских и украинских говорах слово «головатий» могло иметь ироничный оттенок — «важный», «заносчивый», «задирающий нос». Поэтому нельзя исключать, что прозвище давалось не с уважением, а с насмешкой над чванливым соседом. Но в подавляющем большинстве случаев, если судить по частотности фамилии и отсутствию у неё негативной окраски в современных словарях, основная версия — положительная характеристика ума.

Географически фамилия Головатов (и, соответственно, Головатова) распространена довольно широко, но с заметным сгущением в южных областях России: в Ростовской, Волгоградской, Воронежской областях, а также на Кубани. Это совпадает с ареалом бытования украинской фамилии Головатый, которая в русской среде просто обрусела через суффикс -ов. Так что предки современных Головатовых, скорее всего, происходили из казачьих или крестьянских семей юга, где прозвища по внешности и уму давали особенно охотно.

В дореволюционных документах фамилия встречается в форме «Головатовъ» — с твёрдым знаком на конце, что типично для мужских фамилий до реформы 1918 года. Женская форма, Головатова, склоняется по обычным правилам притяжательных прилагательных: нет Головатовой, дать Головатовой.