Фамилия Головлевы (встречается также написание через «ё» — Головлёвы) образована от прозвища Головаль. В его основе — слово «голова». Прозвище могли дать человеку, который выделялся либо большим размером головы, либо, что тоже вероятно, выдающимся умом и сообразительностью. В вологодских говорах есть похожее слово «головань» — «большеголовый». В Малороссии прозвище Головаль могло образоваться по той же модели.

Сама модель образования фамилии — от прозвища на -аль с помощью суффикса -ев — встречается в русской ономастике редко и довольно рано вышла из употребления. Это делает словообразовательную схему фамилии Головлевы одной из её отличительных черт: большинство фамилий с корнем «голов-» образованы через суффиксы -ин (Головин) или -ов (Головков). Форма на -ев от основы Головаль — архаичный вариант.

О точном месте и времени возникновения фамилии сейчас говорить сложно: процесс закрепления фамилий шёл долго и неравномерно. Однако сам факт, что прозвище Головаль зафиксировано в старых источниках, говорит о древности корня.