В 1881—1889 годах обучался в Московском училище живописи, ваяния и зодчества, сначала на архитектурном отделении, потом на живописном, в классах И. М. Прянишникова, В. Е. Маковского и В. Д. Поленова.
1889 — посещал академию Коларосси и школу-студию Витти (1897) в Париже.
В 1890-е годы участвовал в деятельности абрамцевского кружка, где работал с майоликой и деревом.
До 1901 года жил в Москве, затем в Петербурге и Царском (Детском) Селе.
Активный член объединения «Мир искусства», дизайнер интерьеров, мебели, совместно с К. А. Коровиным (они были дружны), принимал участие в оформлении российского павильона на Всемирной выставке в Париже 1900 года и гостиницы «Метрополь» в Москве (майоликовый фриз) в 1900-03 годах.
С 1912 года — действительный член Академии художеств.
С 1928 года — народный артист РСФСР
Как и большинство известных декораторов-модернистов, много работал в театральной сфере.
1900 — первый успех в Большом театре
В 1902 году был приглашён в Петербург на должность главного художника императорских театров, где создаёт свои наиболее красочные сценические образы.
Работал также и для «Русских сезонов» С. П. Дягилева в Париже (опера «Борис Годунов» М. П. Мусоргского, 1908, балет «Жар-птица», И. Ф. Стравинского, 1910). После Октябрьской революции «блеснул стариной» в «Женитьбе Фигаро» (П.Бомарше, МХАТ, 1927), а «Отелло» В.Шекспира во МХАТЕ вышел в 1930 уже после смерти художника.
Некоторые работы Головина ныне хранятся в театральном музее им А. А. Бахрушина.
Работал обычно темперой и пастелью — создал колоритные пейзажи и натюрморты, а также портреты, часть из которых можно назвать художественными документами, в других присутствует и модерн, и начало импрессионизма.
В этот период он создал лучший свой книжно-иллюстративный цикл (к Двойнику Э. Т. А. Гофмана, 1922) и по-прежнему активно занимался станковой живописью и графикой.