Фамилия Головомоносеков — редкий случай, когда прозвище почти наверняка не связано с реальной физической особенностью, а рождено в шутливой, ироничной среде. Разберем её по составу: основа «головомонос» состоит из двух корней — «голов» (голова) и «монос» (от греческого monos — «один, единый»). Соединительная гласная «о» и суффикс «-ек» с окончанием «-ов» указывают на то, что фамилия образована от прозвища Головомоносек (или Головомоносок) по стандартной патронимической модели: «чей?» — Головомоносеков.

Самая вероятная версия происхождения — учебная или семинарская среда. В духовных училищах и семинариях XVIII–XIX веков было принято давать ученикам «говорящие» фамилии на латинский или греческий манер, часто с намёком на характер или внешность. «Головомонос» — это калька с греческого: «голова + единый». Прозвище мог получить либо ученик, который хвастался умом (мол, одна голова — уже много), либо, наоборот, тот, кого дразнили за упрямство или одиночество. Суффикс «-ек» в исходном прозвище придаёт уменьшительно-ироничный оттенок: не «Головомонос», а «Головомоносек» — как бы маленький, но со своей единственной головой.

Менее правдоподобна, но возможна версия, что прозвище возникло в среде ремесленников или крестьян как насмешка над человеком, который постоянно твердил: «Моё мнение — одно, и оно верное». Однако отсутствие упоминаний фамилии в старых переписных книгах и её редкость говорит в пользу искусственного, «кабинетного» происхождения — скорее всего, из духовного сословия.

Фамилия не имеет отношения к «ношению головы» или «головомойке» (это народная этимология). Суффикс «-ов» указывает на русскую адаптацию, но корень «монос» выдаёт греческое заимствование, что и является ключом к разгадке. По сословной принадлежности носители, вероятнее всего, были выходцами из семей священно- или церковнослужителей, где такие фамилии были распространены. Географически фамилия встречается точечно, преимущественно в центральных областях России, но точных данных о концентрации нет.