Фамилия Головатских стоит в ряду так называемых «северных» фамилий на -их/-ых. В русской ономастике эта модель указывает на семейное прозвище: Головатских — это буквально «из семьи Головатого». Такие фамилии типичны для бывших новгородских земель, Вятки, Архангельской и Вологодской областей, где на вопрос «чьи вы?» отвечали родительным падежом множественного числа: «Головатских».

Основа фамилии — прозвище Головатый. В старину «головатым» могли назвать человека с большой или необычной головой, а также того, кто выделялся умом, смекалкой, был «головой» в переносном смысле — заводилой или главой. В русских говорах слово «головатый» иногда имело ироничный оттенок: так могли сказать про упрямого или самоуверенного человека.

Интересно, что фамилия образована не от прилагательного «головатый», а от прозвища в полной форме — Головатой. В северных и сибирских говорах притяжательные фамилии на -их/-ых часто фиксировали именно такую форму: Головатой → Головатских. Это отличает её от более распространённых фамилий вроде Голованов (от «голован») или Головачёв (от «головач»).

Поскольку фамилия закрепилась в среде крестьян и посадских людей Русского Севера, её носители, скорее всего, не принадлежали к дворянству. В документах XVII–XVIII веков такие фамилии встречаются в переписных книгах Устюга Великого, Сольвычегодска и Вятской земли. Если сравнивать с однокоренными фамилиями, то Головатских — самая редкая по модели образования: она не перешла в стандартную форму на -ов, а сохранила архаичный патронимический суффикс, который в центральных губерниях почти исчез к XIX веку.