Фамилия Головомоев — одна из тех, что образована от прозвища, и прозвище это звучит почти как фразеологизм. В основе лежит сочетание «голову мыть» или «головомойка». В прямом смысле так могли назвать банщика или цирюльника, но скорее всего прозвище было ироническим: «головомоем» в народе называли человека, который задаёт взбучку, устраивает строгий разнос, «моет голову» в переносном значении. То есть фамилия могла закрепиться за тем, кто славился крутым нравом или любил читать нотации.

Словообразовательная модель проста и прозрачна: основа «головомой» плюс типичный русский суффикс принадлежности -ев. Суффикс указывает на то, что фамилия сформировалась в среде, где на вопрос «чей?» отвечали по отцу: сын Головомоя — Головомоев. Это характерно для великорусских фамилий, особенно в северных и центральных губерниях.

Ударение в фамилии, скорее всего, падает на последний слог — Головомо́ев, хотя в разговорной речи встречается и вариант на третий слог. Интересно, что фамилия не получила широкого распространения и осталась довольно редкой. Встречается в основном в Поволжье и на Урале, что косвенно подтверждает её народное, недворянское происхождение.

Сравнение с однокоренными фамилиями (Головин, Моев, Головомысов) показывает, что «Головомоев» стоит особняком: в ней сохранилась целая глагольная конструкция, а не просто существительное. Это говорит о том, что прозвище было живым, ситуативным — таким, которое давали не по профессии, а по характерному поступку или черте. В словарях русских фамилий (например, у Б. Унбегауна) подобные «глагольные» фамилии выделяются как отдельная группа, и Головомоев — её яркий, хоть и малочисленный представитель.