Из дворянской семьи. Окончил Пажеский корпус (1894), Николаевскую академию Генерального штаба по 1-му разряду (1900). Служил в войсках СПб. военного округа; вел научную работу в Обществе ревнителей военных знаний. В 1907 защитил дисс. по военной психологии «Исследование боя. Исследование деятельности и свойств человека как бойца». В 1908—17 экстраординарный, ординарный профессор Николаевской академии Генерального штаба. Один из реформаторов высшего военного образования в России. Генерал-лейтенант (1917). Участник Первой мировой и гражданской войн. С лета 1919 начальник штаба армии адмирала А.В. Колчака. В октябре 1919 эвакуирован в Токио в связи с последствиями контузии. Затем жил во Франции (Париж). Инициатор создания системы военного образования и военной науки в эмиграции. С 1927 организатор и руководитель Зарубежных высших научно-военных курсов в Париже (читал здесь лекции по военной психологии), по его инициативе созданы Русский военно-научный институт в Белграде (1936) и Институт по исследованию проблем войны и мира в Париже (1938). В 1926—40 официальный представитель Гуверовской библиотеки СтэнфордУ в Париже. Участник и редактор многих военно-исторических изданий: «Военного сборника», газ. «Русский инвалид», ж. «Осведомитель», «Парижский вестник» и др. Во время Второй мировой войны сотрудник Управления делами русских эмигрантов во Франции. Автор научных трудов по истории, теории и психологии военного дела.

Похоронен на православном кладбище в Сент-Женевье-де-Буа.

Отец: Николай Михайлович (1836—1911), генерал от инфантерии. Жена: Александра Николаевна (1875—1943). Сын: Михаил (1923—2001).

Библ.: Материалы дли библиографии русских научных трудов за рубе­жом (1920-1940) / Под ред. Е.В. Спекторского Т. 1. Белград, 1931. №  109. С. 86—87; То же. Т. 2. Белград, 1941. № 82. С. 98—100; Труды русской, украинской и белорусской эмиграции, изданные в Чехословакии в 1918—1945 гг. Т. 1. Ч. 1. Прага, 1996. С. 178.

Соч.: Исследование боя. Исследование деятельности и свойств человека как бойца. СПб., 1907; Высшая военная школа. СПб., 1912; Введение в курс тактики. СПб., 1912; Опыт применения прикладного метода обучения на младшем курсе Императорской Николаевской военной академии. СПб., 1912; Тихоокеанская проблема в XX столетии. Прага, 1924 (с А.А. Бубновым); Съвременната конница. София, 1926; Наука о войне: о социологическом изучении войны. Париж, 1938; Обширное поле военной психологии. Предисловие к книге П.Н. Краснова «Душа армии» // Душа армии, 1997. С. 15—36; Наука о войне. М., 2008; La bataille de Galicie en 1914 — Deux conférences faites à 1'Ecole Supérieure de Guerre. P., 1929.

Лит.: Зарубежные военно-научные курсы генерала Головина. Краткий отчет // Осведомитель. Белград. 1937. № 3; Оноприенко В.И. Русская наука в изгнании // Вестник АН СССР. 1990. № 5. С. 70; Образцов И.В. Н.Н. Головин и высшая военная школа русского зарубежья // Культурное наследие российской эмиграции: 1917–1940. М., 1994. Кн. 1. С. 370—376; Осовский Е.Г. Деятели общественно-педагогического движе­ния и педагоги российского зарубежья. 20-50-е гг. XX в.: 150 биографий. Саранск, 1997. С. 30—31; Русское зарубежье. Золотая книга эмиграции. Первая треть ХХ века: Энциклопедический биографический словарь. М., 1997. С. 175—178 (авт. Ю. Трамбицкий); Попов А.В. Русское зарубежье и архивы, М., 1998. С. 261—262; Петров Е.В. Русские историки-эмигранты в США: анализ биографических данных за 1917—1939 гг. // Зарубежная Россия 1919—1939 гг. Сборник статей. СПб., 2000. С. 207—210; Сухарев Ю.Н. Материалы к истории русского научного зару­бежья. Кн. 1. М., 2002. С. 128—131; Волков, 2008. С. 262—263; Грезин И.И. Алфавитный список русских захоронений на кладбище в Сент-Женевьев де Буа. М., 2009. С. 131; Общественная мысль русского зарубежья: Энциклопедия. М., 2009. С. 263—266 (авт. И.Н. Гребенкин); Российское научное зарубежье: биобиблиографический справочник / Ред.-сост. М.Ю. Сорокина. М., 2011. С. 207—208; Raymond B., Jones J.D. The Russian Diaspora, 1917—1941. Maryland, L., 2000. P. 110—111.

Некр.: Незабытые могилы. Российское зарубежье: Некрологи 1917—1997: В 6 т. / Сост. В.Н. Чуваков и др. М., 20. Т. 2. С. 144.