Фамилия Головенский образована от прозвища Головень. Самая прямая версия связывает это прозвище со словом «голова». В таком случае Головенем могли назвать человека умного, рассудительного или занимавшего видное положение — буквально «голова» в смысле руководитель, старшина. Прозвища по признаку ума или социальной роли были распространены на Руси, и фамилии на -ский/-ской нередко указывали на принадлежность к определённому человеку: Головенский — потомок Головня.

Есть и вторая версия, менее очевидная, но тоже возможная. В русских говорах «головень» — это рыба семейства карповых, то же, что голавль. Прозвище Головень могли дать рыболову или человеку, чем-то напоминавшему эту рыбу — например, с крупной головой. Такие «рыбные» прозвища тоже не редкость, и они легко переходили в фамилии без изменений.

Фамилия Головенский — типичная для западнорусских и украинских земель: суффикс -ский/-цкий характерен для шляхетских и крестьянских фамилий Речи Посполитой, откуда они проникли и в великорусские губернии. Встречается также вариант Головенской (через «о»), что отражает старую орфографию.

Словообразовательная модель проста: прозвище Головень → притяжательное прилагательное Головенский (чей? — Головнев). Со временем «в» в корне могло выпасть или перейти в «л» под влиянием акающих говоров, но в фамилии закрепилась форма с «в». Однофамильцы с корнем Голов- (Головин, Головкин, Голованов) образованы от той же основы, но с другими суффиксами — у Головенских уникальный суффикс -ский, который прямо указывает на происхождение от конкретного лица по прозвищу, а не по профессии или месту жительства.