Родился в Новочеркасске 12 июля 1897 года. Учился в местном реальном училище, затем — в Донском сельскохозяйственном институте.
В 1925—1927 работал в Дагестане, осенью 1927 года направлен в Ленинградский институт зоологии и фитопатологии, окончил его в 1930 году.
С 1934 по 1951 год Пётр Николаевич преподавал в звании профессора и возглавлял кафедру низших растений Среднеазиатского государственного университета. Ездил в экспедиции по пустыням и горам Средней Азии, в частности, на Памир и Тянь-Шань. Несколько лет П. Н. Головин был деканом биологического факультета САГУ.Пётр Николаевич Головин впервые выделил свыше 200 новых видов грибов. Также занимался изучением перспектив использования грибов для борьбы с вредными насекомыми и грибных болезней хлопчатника, плодовых и бахчевых культур.
В 1951 году Головин стал старшим научным сотрудником Ботанического института имени В. Л. Комарова, до 1962 года работал в Ленинграде. Также с 1951 года был членом Всесоюзного ботанического общества, заведовал кафедрой общей фитопатологии Института зоологии и фитопатологии.Скончался Пётр Николаевич Головин 18 августа 1968 года.