Фамилия Головнин образована от прозвища Головня. Слово «головня» в древнерусском языке означало горящее полено, головешку, а также могло относиться к человеку с чёрными, как головешка, волосами или вспыльчивым, «горячим» нравом. Прозвище было широко распространено, поэтому и фамилия встречается в нескольких старинных дворянских родах.

Один из самых ранних известных носителей — новгородский боярин Никита Головня, упоминаемый в 1401 году. Ветвь от него, возможно, и положила начало дворянам Головниным. Документально подтверждённый род ведёт начало от Богдана Григорьевича (он же Матвей) Головнина, который в 1590-х годах владел поместьями в Зарайском, Пронском и Ряжском уездах. Его сыновья, Никифор и Иван Матвеевичи, получили поместья по Рязанскому уезду в 1628–1629 годах. Потомки Бориса, Родиона и Марка Ивановича Головнина были записаны в VI часть родословной книги Московской губернии — это древнее дворянство.

Существовал и другой род Головниных, происходивший от Ивана Головнина, чьи два сына (оба Иваны) служили при великом князе московском Василии III в Великих Луках. Таким образом, фамилия закрепилась за потомками человека по прозвищу Головня, и её носители принадлежали к разным ветвям служилого сословия, от новгородских бояр до рязанских помещиков.

Фамилия образована по стандартной модели: прозвище Головня плюс патронимический суффикс -ин, указывающий на принадлежность («чей?» — Головнин, то есть сын Головни). Это одна из самых распространённых форм русских фамилий, встречающаяся у всех сословий.