Герой Социалистического Труда (1980). Заслуженный деятель искусств РСФСР (1935), доктор искусствоведения (1966). Лауреат двух Сталинских премий (1947, 1951). Член ВКП(б) с 1944 года.
Работал в кино с 1925 года. В 1926 году окончил операторский факультет ГТК. С 1934 года — преподаватель ВГИКа, с 1939 года — профессор. Доктор искусствоведения (1966).
А. Д. Головня умер 25 июня 1982 года. Похоронен в Москве на Донском кладбище.
Жена и соавтор многих операторских работ — Т. Г. Лобова.
В 2005 году Евгенией Головней снят документальный фильм «Анатолий Головня и его женщины». В 2010 году — «Острова. Анатолий Головня» (реж. Злата Школьная; для т/к «Культура»).
Работал ассистентом оператора у А. А. Левицкого (фильм «Луч смерти»).
Творчество мастера развивалось в сотрудничестве с режиссёром В. И. Пудовкиным. В первых же своих работах он пытался освободиться от штампов старой операторской школы, в процессе работы осваивал новый монтажный метод съёмки с его динамичной сменой планов и ракурсов, позволяющей активно выявить авторское отношение к материалу и придать экранному изображению особую выразительность.
Съёмка фильма «Мать» выдвинула его в первые ряды мастеров советского операторского искусства. Во многом следуя традициям реалистической живописи, А. Д. Головня стремился найти такую форму кадра, чтобы все его элементы с максимальной выразительностью раскрывали содержание эпизода. Эта тенденция отчётливо проявилась в своеобразии ракурсных построений, определивших новизну зрительского восприятия. Несмотря на скупость красок (изображение построено на короткой тональной гамме и контрасте крупных световых пятен), оператор добивается большой выразительности, органично вплетая изобразительную линию фильма в драматическую ткань. Значительную роль в эмоциональной окраске картины играет пейзаж. Усиливая настроение и идейное содержание эпизодов, пейзажи мастера в то же время придают фильму в целом русский национальный колорит.
В дальнейшем А. Д. Головня широко использовал смелые экспрессивные повороты кинокамеры, приёмы оптической деформации, стремился к максимальной динамичности композиции кадра. Жизненная правда — основа творчества оператора.