Фамилия Головоева — редкая и этимологически прозрачная, хотя и неоднозначная. Сразу заметна её основа: «голова». В русских фамилиях этот корень встречается часто (Головин, Голованов, Головкин), но форма «Головоев» стоит особняком из-за суффикса.

Ключевой элемент здесь — не просто «голова», а «головой». Фамилия образована по модели отчества или прозвища с суффиксом -ев, который присоединяли к основам, оканчивающимся на -ой: чей? — Головоев. Исходное прозвище — Головой. В старину так могли назвать человека с большой, заметной головой, либо того, кто занимал главенствующее положение — «голова» в значении «начальник» (стрелецкий голова, таможенный голова). Менее вероятно, но возможно, что прозвище относилось к человеку с выдающимся умом, «светлой головой».

В отличие от фамилии Головин (от «голова» с притяжательным суффиксом -ин), форма Головоев сохранила окончание именительного падежа прозвища. Это указывает на более позднюю и, возможно, региональную фиксацию: в северных и центральных говорах прозвища на -ой часто переходили в фамилии без изменений, просто добавляя родовой суффикс.

Географически фамилия встречается разрозненно, без ярко выраженного гнезда. Сравнение с однокоренными фамилиями (Головкин, Голован, Головатый) показывает, что Головоев — одна из самых редких форм. Никаких сведений о дворянском происхождении или массовом бытовании в каком-либо сословии нет. Скорее всего, предки носителя фамилии — крестьяне или посадские люди, получившие прозвище по внешности или должности, которое затем закрепилось как фамильное имя.