В Красной Армии с октября 1937г.

Вероятно, окончил ШМАС (школа младших авиаспециалистов).      

Участник Советско-финляндской войны.

Петр Дмитриевич совершил 35 успешных боевых вылетов.

Указом Президиума ВС СССР от 21 мая 1940г. был награжден орденом Красной Звезды.

Служил в составе 41 скоростного бомбардировочного авиаполка Закавказского военного округа.

В конце августа- первой половине сентября 1941г. полк участвовал в Иранской операции.

Экипаж сержанта Головина совершил 4 боевых вылета.

В октябре 1941г. полк базировался на аэродроме Кропоткин. Имел на вооружении 15 самолетов СБ.

Экипажи полка вели боевую работу в районах Мариуполя, Таганрога, Ростова-на-Дону, Самбека.

Петр Дмитриевич летал в экипаже командира эскадрильи старшего лейтенанта Родионова Михаила Кузьмича и штурмана лейтенанта Коваленко Павла Федоровича.

27 октября в районе Кущевки Петр Дмитриевич отразил атаки немецких истребителей.

24 ноября 1941г, 12 самолетов СБ полка вылетели на уничтожение скопления моторизованных частей противника в роще, в 3км. северо-восточнее г.Орджоникидзе. Бомбардировку провели с высоты 300м. При возвращении, в районе 20-25км. юго-восточнее Тихорецка, самолеты вошли в сплошной туман. Строй нарушился, экипажи потеряли друг друга из вида. Катастрофы потерпели 5 экипажей. Самолет экипажа: летчик старший сержант Ильин Аполлон Иванович, стрелок-бомбардир младший лейтенант Лавриненко Иван Степанович, стрелок-радист старший сержант Голованов Петр Дмитриевич- врезался в землю. Летчик и стрелок-бомбардир погибли, стрелок-радист получил тяжелые травмы.

Старшина Голованов, совершивший 13 боевых вылетов, был представлен к ордену Красной Звезды. Приказ о награждении от 23 февраля 1942г.

20 марта 1942г. был тяжело ранен.

В 1943г. Петр Дмитриевич в составе 81 гвардейского бомбардировочного авиаполка.

На Воронежском и Степном фронтах совершил 26 боевых вылетов. Гвардии младший лейтенант Голованов был представлен к ордену Красного Знамени, приказом от 23 августа 1943г.  награжден орденом Отечественной войны I степени.

В 1944г. входил в состав экипажа командира полка Героя Советского Союза гвардии подполковника Гаврилова Владимира Яковлевича и штурмана полка гвардии майора Габуния Григория Илларионовича.

К 1945г. назначен начальником связи 2 авиаэскадрильи (командир эскадрильи Герой Советского Союза гвардии капитан Плотников Павел Артемьевич (27 июня 1945г. присвоено звание дважды Герой Советского Союза).

К марту 1945г. гвардии лейтенант Голованов совершил еще 40 успешных боевых вылетов. Приказом от 01 апреля 1945г. был награжден орденом Красного Знамени.

Награжден медалями «За взятие Берлина», «За освобождение Праги», «За победу над Германией в Великой Отечественной войне 1941-1945 гг.»

В 1946г. награжден медалью Польской Республики «За храбрость и вольность», медалью Чехословацкой Республики «За храбрость».

За долголетнюю и безупречную службу в 1947г. награжден медалью «За боевые заслуги», в 1953г.- третьим орденом Красной Звезды.

Гвардии майор Голованов был уволен в запас 10 июня 1959г.