Родился Николай Головин в 1695 году. С 1706 года он со старшим братом Александром учился в Навигацкой школе. По указу от 31 мая 1708 года братьев послали для изучения морского дела за границу. 8 лет Николай служил на английских судах, ходил до Португалии и берегов Египта, за год на голландских кораблях побывал в Балтийском море. В 1712 году, хорошо зная английский язык, моряк помогал стольнику Салтыкову покупать корабли для флота в Англии. По возвращении в 1717 году его определили во флот подпоручиком. Но 3 ноября молодого офицера экзаменовал сам царь и произвел в лейтенанты.

В 1718 году Головин служил асессором комиссии военного суда, в 1719 - доверенным лицом Петра I на корабле "Перл" в эскадре капитан-командора Фангофта плавал между Готландом и Курляндским берегом, в ночь на 24 мая участвовал в успешной высадке десанта на остров Аланд. Когда стало известно, что британская эскадра направляется на Балтику, в июне на фрегате "Самсон" Головина царь послал с письмом в Зунд к английскому адмиралу Норрису и в августе вернулся с сообщением о состоянии английского флота и намерениях англичан.

31 января 1720 года Николая Головина произвели в капитан-лейтенанты. В кампанию 1721 года он командовал кораблем "Арондель" ревельской эскадры капитан-командора Фангофта и 22 октября получил не в очередь чин капитана 3-го ранга, в 1723 году водил корабль "Принц Евгений" в практическом плавании с флотом до Ревеля, а 14 декабря 1724 года был назначен присутствовать в адмиралтейской конторе. Моряк служил под председательством капитан-командора П. П. Бредаля и некоторое время исполнял обязанности директора.

После смерти Петра I в судьбе Головина произошли серьезные изменения. Потребовалось послать в Швецию на замену послу М. П. Бестужеву-Рюмину надежного человека, способного бороться за интересы России. В июле 1725 года Н. Ф. Головина назначили чрезвычайным посланником к шведскому двору. Опираясь на сторонников мирных отношений с Россией, Головин стремился не дать втянуть Стокгольм в антирусский ганноверский союз. Союз этот был образован для противодействия политике Екатерины I, которая ради интересов своей дочери Анны, бывшей замужем за герцогом голштинским, хотела воевать с союзной Данией за Шлезвиг, ранее принадлежавший Голштинии.

В сентябре 1725 года Головин предлагал по совету сторонников России усилить ревельский флот, в декабре сообщал, что король часто беседует с французским и английским послами. В 1726 году переговоры продолжались. Англия и Франция не скупились на подкуп шведских политических деятелей, как и Головин, которому приходилось тратить немало из собственных средств.

В апреле 1726 года граф Горн огласил в шведском Сенате письмо посланника в Петербурге Цедеркрейца о том, что Россия готова прислать галерный флот с 30 000 войск, если шведы будут действовать против интересов Голштинии. Это известие вызвало военные приготовления в Швеции. Когда же вместо русской прибыла английская эскадра, в Стокгольме говорили, что она спасла страну от вторжения. Несмотря на посылку в поддержку Головину искусного дипломата В. Л. Долгорукого, Швеция в 1727 году все же вступила в ганноверский союз.

Как моряк Головин по поручению генерал-адмирала Ф. М. Апраксина принимал участие в найме штурманов для флота. 28 апреля 1726 года он стал капитаном 2-го ранга, 5 мая был пожалован в генерал-адъютанты по флоту (в чине капитана 1-го ранга).

Летом 1727 года моряка отправили для лечения в Ахен. Осенью он вернулся на свой дипломатический пост и в ноябре 1727 года донес о письме Меншикова к шведскому сенатору Дибену. Это письмо, прочитанное на заседании Верховного тайного совета, дало основания противникам Меншикова обвинять его в измене и сослать в Сибирь.

Остававшийся чрезвычайным посланником в Швеции после отъезда Долгорукого, Головин сообщал о том, что идут переговоры о войне Турции против России и Австрии. В Стокгольме ожидали волнений в России после смерти Екатерины I. Считая, что пришло время вернуть потерянные при Петре I земли, граф Горн хотел только, чтобы нападающей стороной оказалась Россия. Посланник писал: "Здесь недоброжелательные к России люди очень жалеют об удалении князя Меншикова от двора, говорят явно, что они потеряли в своих намерениях великого патрона". Однако в конце 1727 года отношение к Головину заметно улучшилось. Дворы Англии и Франции не рекомендовали до времени начинать войну с Россией. Посол в России Цедергельм сообщил, что если русские корабельный и гребной флоты ветшают и слабеют, то армия готова в три дня выступить. Кроме того, вражда короля с Горном заставила монарха быть любезным с посланником великой державы. В апреле 1728 года король призвал Головина в кабинет и сообщил, что хотел бы восстановления дружбы Швеции с Россией, и предлагал встретиться с Петром II в Германии.

В 1830 году Головин уже императрице Анне Иоанновне сообщил, какие суммы денег он передал влиятельным политическим деятелям Швеции, включая графа Горна, однако он не хотел бы, чтобы Горна весной следующего 1731 года избрали ландмаршалом сейма. В декабре моряк сообщал, что партия Горна опирается на средства послов Англии и Франции. Для подкупа ему к 1831 году переслали 10 000 рублей с письмом, в котором была выражена надежда императрицы на успех. Головин отвечал:

"...английский министр Финч получил от своего двора 60 000 фунтов стерлингов и почти ежедневно угощает у себя сенаторов и других знатных особ... поэтому я переведенною ко мне суммою никак не в состоянии отвратить предложения английского двора...".

Вновь избранный маршалом сейма Горн старался о союзе с Францией, однако король предпочел сближение с Россией. Гоф-канцлер в разговоре с Головиным поинтересовался, что Швеции надо сделать, чтобы Россия взяла на себя голландский долг. Посланник предложил подготовить проект союза для рассмотрения русским двором. Сам король говорил с Головиным о том, что желает возобновить русско-шведский союз. Однако союз этот так и не состоялся в 1732 году. Правда, не был подписан и союз с Данией, коего добивалась Франция. Шведские правящие круги продолжали искать, кому бы подороже продаться. Но, во всяком случае, войны со Швецией удалось избежать.

Очевидно, в Петербурге были довольны деятельностью Головина, но предпочли использовать как моряка. 28 апреля 1730 года его произвели в шаутбенахты, 5 апреля отозвали из посольства. Дипломат оставил по себе хорошую память; в его честь шведы даже выбили медаль.

После возвращения 9 апреля 1732 года Н. Ф. Головина пожаловали орденом Св. Александра Невского, 13 апреля произвели в вице-адмиралы с назначением генерал-инспектором флота и адмиралтейств. В этом качестве моряк присутствовал в Адмиралтейств-коллегии и старался наладить порядок и законность, в первую очередь по счетной и строительной частям. По его инициативе с флота были уволены 2000 увечных и престарелых нижних чинов. 11 мая 1732 года вышел подготовленный Головиным устав о разведении, посеве и рубке лесов. После пожара и наводнения 1732 года в Кронштадте граф получил разрешение императрицы передать губернские дома в Кронштадте флагманам и адмиралтейским чинам в потомственное владение. В августе он и сам получил в вечное владение дом бывшего адмирала Сиверса в Кронштадте. Еще 3 июня по его прошению царица пожаловала Головину бывшее село А. Д. Меншикова Ивановское с деревнями и слободками в Севском, Рыльском и Путивльском уездах с 8720 душами, предоставила высокое жалованье.

Особое значение имела деятельность Головина в Воинской Морской комиссии. 24 января 1732 года, после того как президент Адмиралтейств-коллегии П. Сиверс получил ряд выговоров от кабинета, императрица Анна Иоанновна повелела всем флагманам подать в письменном виде предложения по совершенствованию флрта. Воинская Морская комиссия под председательством А. И. Остермана в составе адмиралов Н. Ф. Головина, Н. А. Сенявина, П. П. Бредаля, В. А. Дмитриева-Мамонова была организована, "понеже в содержании флота и морской нашей силы не меньше нужды, пользы и безопасности государства нашего состоит". Ей следовало рассмотреть поданные предложения и выработать меры, помогающие привести в порядок флот и адмиралтейства.

Комиссия составила новое положение об устройстве флотского управления. Так как предложений извне оказалось немного, комиссия основывалась главным образом на соображениях ее членов. В начале 1733 года был утвержден новый штат флота, по которому ликвидировали некоторые офицерские чины для более быстрого производства. Число флагманов ограничили 2 адмиралами, 2 вице-адмиралами, 2 контр-адмиралами и 1 генерал-адмиралом. В ответ на запрос комиссии, содержать ли флот, равный петровскому, императрица повелела для начала иметь 27 линейных кораблей, 6 фрегатов, 2 прама, 3 бомбардирских судна, 8 пакетботов.

25 марта 1733 года Н. Ф. Головина произвели в адмиралы с назначением президентом Адмиралтейств-коллегии. Уже в мае 1733 года моряк внес предложение награждать кораблестроителей в зависимости от размера построенных ими кораблей. По его указанию в Данциге закупили корабельный лес. С 1732 года адмирал потребовал вместо ведения журналов оформлять отдельный протокол по каждому вопросу, что увеличило объем бумаг в 3-4 раза. Однако в феврале 1737 года он же и отменил свое предложение, вернувшись к системе журналов, как в Сенате. В августе 1733 года Головин наблюдал за постройкой в галерной гавани деревянной церкви во имя Живоначальной Троицы. В октябре адмирала назначили состоять начальником 2-й флотской дивизии и командиром 1-го морского полка.

Первым крупным делом Головина как президента стала подготовка флота к действиям под Данцигом. 22 февраля 1733 года в Кабинете императрицы собрались на совещание министры, Сенат и генералитет. Среди собравшихся был и вице-адмирал Головин. Рассмотрев письмо из Польши о претензии на престол Станислава Лещинского, которого поддерживала Франция, собравшиеся решили, что нельзя допустить к власти кандидата, зависящего от корон французской, шведской и Турции, и следовало сформировать сильный корпус, который при необходимости мог бы перейти границу и действовать по указаниям русского министра в Варшаве. 31 июля корпус Ласси из Лифляндии вступил в Польшу и 20 сентября, двигаясь почти без остановок, достиг Праги, пригорода Варшавы. Под прикрытием войск сторонники России избрали королем саксонского курфюрста Фридриха-Августа. Однако Станислав Лещинский обосновался в Данциге. Войска Ласси в январе 1734 года заняли Торн. Под Данциг фельдмаршал послал графа Миниха. В марте 1734 года тот овладел пригородом Данцига и повел осаду. До мая, несмотря на обстрел и попытку штурма, гарнизон упорно защищался в ожидании французской помощи. 13 мая с 11 французских кораблей были высажены войска, которые 16 мая атаковали русские позиции, но были отражены.

В начале июня подошла русская эскадра Гордона. Головин наблюдал за ее подготовкой в Кронштадте и действовал энергично, пока корабли не выступили. Появление эскадры сыграло свою роль. Французские корабли, приняв войска, ушли; один из фрегатов был взят русскими моряками. Лишившись поддержки с моря, 12 июня французы по требованию Миниха сдали крепость Вексельмюнде, 13 июня - укрепление Мюнде, а 17 июня русские корабли с пленными французами на борту вышли из Данцига в Кронштадт, ибо появились сведения о прибытии 8 французских кораблей с войсками. Так как помощь не пришла, Станислав Лещинский бежал, а Данциг 28 июня подчинился королю Августу III.

Адмирал часто ездил в Кронштадт, наблюдал за постройками, отправлял эскадры в море. Нередко он бывал в Морской академии; по его представлению профессоров математики пожаловали офицерскими чинами, а профессора Г. Фарварсона - чином бригадира. Граф заботился об отправке гардемарин в плавания для морской практики.

В 1736 году возобновлен был созданный Петром I Высший суд. В его состав вошел и адмирал Головин. Он участвовал в рассмотрении дел. 24 мая того же года он добился повеления направлять солдат петербургских и кронштадтских гарнизонных полков на строительство Кронштадтского канала и доков.

Высочайшим указом 1 августа 1737 года Головина назначили председателем комиссии по возведению зданий на погорелых местах Санкт-Петербурга. Французский посол де ла Шетарди писал: "Адмирал граф Головин человек умный и знакомый с теорией своего ремесла, но у него нет опытности; он страстно любит англичан и ничего не делает без их совета".

Адмирал жил широко. Крупного жалованья и доходов от деревень не хватало. Не раз императрица выдавала ему значительные суммы в долг и в счет жалованья для уплаты долгов. Видимо, отсюда и появились сведения о злоупотреблении Головина. 29 мая 1738 года в высочайшем указе на имя Адмиралтейств-коллегии было выражено неудовольствие императрицы по поводу самовольного поступка президента коллегии, обвинявшегося в неправильном использовании казенных сумм, с назначением особой комиссии для исследования дела. Однако ни комиссия, ни Сенат при проверке не установили злоупотреблений и не поколебали доверия императрицы к адмиралу. После смерти в октябре 1738 года И. М. Головина Николаю Федоровичу поручили также начальство галерным портом и флотом.

3 апреля 1739 года адмирал исходатайствовал указ о неназначении морских офицеров на непринадлежащие их званию должности и о возвращении во флот откомандированных для береговых служб офицеров; в своем представлении он писал, что "...землемерие принадлежит инженерству и геодезистам, а не морскому искусству, и что командировка лейтенанта к делу бичевника то же подлежит морскому искусству, как бы хлебнику корабли делать".

9 ноября 1740 года Анна Леопольдовна провозгласила себя правительницей. Рассчитывая на поддержку Головина, она наградила его орденом Св. Андрея Первозванного. Однако первое место в Адмиралтейств-коллегии занял новоиспеченный генерал-адмирал А. И. Остерман. В ночь на 25 ноября 1741 года, когда к власти при помощи гвардии пришла Елизавета Петровна, граф Головин прибыл в числе первых присягнуть новой императрице. Утром 25 ноября он объявил Адмиралтейств-коллегии, чтобы не выполняли приказы генерал-адмирала. 30 ноября, в орденский праздник Андрея Первозванного, адмиралу вручили золотую цепь ордена. Остермана оставили при делах Иностранной коллегии. Головин руководил Адмиралтейств-коллегией единовластно и лишь посылал промемории генерал-адмиралу. Когда Остермана отставили от высших постов, Головин вновь занял первое место в морской иерархии.

3 декабря 1741 года Головина назначили членом комиссии "для описи пожитков и деревень и к разобранию долгов заарестованных персон". 12 декабря Елизавета указом восстановила значение Сената. В числе других сенатором был назначен Н. Ф. Головин. 13 декабря он стал также действительным тайным советником и членом конференции управления иностранных дел. Ему следовало вместе с канцлером А. М. Черкасским и вице-канцлером А. П. Бестужевым-Рюминым обсуждать при дворе важнейшие вопросы внешней политики. Адмирал также получил главное командование галерным портом и флотом.

В 1742 году было решено по предложениям Головина строить эллинг для ремонта кораблей и мокрый док в Кронштадте. Когда в феврале 1742 года императрица для коронации выехала в Москву с большинством Сената, Головин оставался первоприсутствующим среди оставшихся его членов.

Тем временем продолжалась русско-шведская война 1741 - 1743 годов. В 1742 году после отъезда Ласси в Финляндию Головин стал главнокомандующим войсками для защиты Санкт-Петербурга от нападения шведов. Он принимал деятельное участие в вооружении и снабжении флота, высланного в море под начальством Мишукова против шведского флота. Адмирал критиковал нерешительную тактику Мишукова, избегавшего столкновения со шведами.

21 апреле 1743 года самого Головина определили командующим Балтийским флотом. Приняв командование, он деятельно принялся готовиться к боевым действиям. По его предложению для пополнения экипажей были выделены 2 полка, в Финляндии набирали матросов. 24 апреля адмиралу была дана инструкция стараться неприятеля отбить от мыса Гангут, чтобы позволить пройти гребной флотилии, а затем по договоренности с Ласси корабельному флоту следовало наступать далее и высылать галеры к берегам Швеции. Следовало также наблюдать за неприятельским флотом и оберегать от него берега Прибалтики, а при необходимости атаковать неприятельский флот, даже если тот будет располагать не меньшими, но равными силами.

Несмотря на переговоры, начатые в Або, боевые действия продолжались. Шведы не соглашались на территориальные уступки. Они намеревались наступать войсками, сосредоточенными у Торнео. Гребную флотилию с января снаряжали в Стокгольме. Корабельный флот уже 30 апреля направился к Гангуту и выслал эскадру для крейсирования между мысом и островом Даго. Его целью было прикрыть движение своей гребной флотилии и преградить путь русской.

По российскому плану, сухопутным войскам следовало удерживать Финляндию, выдвинув отряд в сторону Торнео. Основную задачу (высадку в Швеции) предстояло осуществить гребной флотилии при поддержке корабельного флота. Весной 1743 года парусные корабли стояли в Ревеле, Кронштадте и Гельсингфорсе, а гребные суда базировались на Борго, в Фридрихсгаме, Выборге и Санкт-Петербурге. Узнав о нападении шведов на Аландские острова 28 марта (8 апреля), часть галерной флотилии генерала Кейта и ревельская эскадра направились к полуострову Гангут для прикрытия выдвижения главных сил. Суда Кейта, пройдя мимо Гангута к Аландским островам ранее подхода шведского флота, обнаружили неприятельскую гребную флотилию. После боя у острова Корпо 20 мая шведы отступили, что позволило Кейту занять позицию у острова Сотгунга и ожидать подхода главных сил.

Корабельный флот также был готов ранее, чем в предыдущем году. 7 августа 1742 года Адмиралтейств-коллегия решила, по примеру Петра I, держать постоянно и оставлять на зимовку эскадру в Ревеле, чтобы весной быстрее ее выводить в море. В Ревеле зимовали 7 линейных кораблей и 2 фрегата. Уже 15 апреля 1743 года ревельская эскадра вытянулась на рейд, а 28 апреля вышла к Наргену и затем крейсировала в море. 4 мая Головин поднял флаг на корабле "Св. Петр", 7 мая флот посетила императрица, а 9 мая кронштадтская эскадра выступила в море и 13 мая соединилась с ревельской. 15 мая 16 кораблей, 2 фрегата и 14 других судов направились в крейсерство между Гангутом, Рогервиком и Оденсхольмом для наблюдения за шведами, и 24 мая с них увидели шведский флот из 21 единицы у Гангута.

Головин собрал совет, на котором предложил решительные действия. На консилиуме 25 мая против предложения Головина приблизиться к шведскому флоту и искать способ атаковать его брандерами и бомбовыми судами выступили 14 участников, в том числе оба контр-адмирала (Барш и Калмыков). Большинство стояло за то, чтобы оставаться под парусами и послать донесение Ласси. Несогласный с решением Головин внес в протокол свой протест: "Неприятель может усилиться прибытием к нему военных кораблей или от бессилия его иногда может от норда с крепким ветром и вовсе от нас уйти; для того чтоб неучинением поиска и упущения ныне способного случая, мне, яко главному командиру, не причтено было нерадение и к слабому поступку; ибо по силе генерального регламента вижу себя принужденным ныне с большею частию голосов, с немалым сожалением, быть согласну. Что же некоторые изволили объявить, что оное над неприятелем действо немалому газарду (риску) подлежит; а понеже в войне никогда без газардования военных действий не бывает, того ради при атаке газарду с обеих сторон миновать не возможно".

Тем временем 26 мая гребной флот П. П. Ласси (106 гребных судов с десантом) вышел к Тверминне, но дальше продвинуться не мог: у Гангута путь на запад, к Або, преграждала шведская эскадра. Фельдмаршал приказал Головину прибыть с флотом. Тот получил приказ 29 мая, но шторм заставил укрыться в Рогервике (Палдиски). Только 2 июня эскадра подошла на 2-3 мили к Тверминне, и Головин послал приглашение Ласси на консилиум. 4 июня Ласси прислал адмиралу предписание идти к Гангуту и атаковать или так расположиться около него, чтобы галеры могли пройти под берегом. Фельдмаршал также прислал высочайший указ от 28 мая, рекомендовавший не рисковать ввиду скорого мира. Из-за противоречивых указаний консилиум моряков решил встать против неприятеля на якоря; если бы противник решил сниматься, следовало идти за ним, чтобы открыть путь для галер.

Шведский адмирал Утфаль располагал 13 линейными, 2 бомбардирскими кораблями, 3 фрегатами и галиотом против 14 линейных, 2 бомбардирских кораблей, 2 фрегатов и 2 брандеров Головина. Противники имели равные силы, и по регламенту Головин не имел права вступить в бой. 6 июня флот подошел к мысу. Головин построил корабли в линию на якорях против неприятеля. Первый день ограничился перестрелкой отдельных отрядов. 7 июня флоты сошлись близко. Головин надеялся на сражение, но тихий ветер и туман позволили шведам уклониться от боя. 8 июня Утфаль, получив подкрепления, пошел на сближение. В бой шведы так и не вступили, а вечером ушли к Дагерорду. Это позволило гребной флотилии Ласси пройти вдоль берега мимо Гангута к Аландским островам и 12 июня соединиться с Кейтом. Мир прекратил его наступление к берегам Швеции.

Головин, не преследуя противника, 9 июня прибыл в Рогервик. Идти к Ламеланду из-за навигационных опасностей консилиум не решился, и флот ушел в Ревель, где стоял 30 дней. 16 июля был подписан Абоский договор, 7 августа ратифицированный Елизаветой Петровной. 5 июля Головину был послан указ крейсировать между Дагерордом и Аландскими островами до возвращения войск в Россию. Флот после крейсерства 21 августа вошел на рейд Ревеля. Было решено, если до 26 августа не будет нового указа, возвращаться в Кронштадт.

Тем временем избрание наследником шведского престола не датского принца побудило Данию угрожать вторжением Швеции с моря и из Норвегии. Шведы обратились за помощью к России. 22 августа императрица запросила влиятельных лиц, как помочь шведскому королю. Было решено послать в Гельсингфорс до наступления больших холодов 30 галер генерала Кейта (который уже вернулся в Кронштадт). 3 сентября было решено отправить Кейта зимовать в Стокгольм. Прибывшие на гребных судах полки были торжественно встречены жителями шведской столицы.

Корабельному флоту Головина следовало весь сентябрь оставаться в море, идти до Карлскроны и далее для прикрытия во взаимодействии со шведским флотом избранного шведского наследника. Адмирал получил указ 27 августа и собрал консилиум, который решил, что можно идти, если провизия будет доставлена не позднее 10 сентября, и запрашивал, укрываться ли в шведские порты и кому командовать соединенной эскадрой. 7 сентября последовал высочайший указ идти в море, даже если провизия запоздает, при необходимости пользоваться шведскими портами, а командовать русскому адмиралу. 10 сентября Головин вновь созвал совет, который признал поход опасным и неосуществимым. Флагман подписал это решение совета. Так как к 20 сентября провизии прибыло мало, было решено крейсировать до конца месяца и возвращаться. Оставив в Ревеле 21 судно, 27 сентября адмирал привел остальные в Кронштадт. Сам Головин покинул эскадру в Нарве и сообщил о своей тяжелой болезни.

Неисполнением приказа идти к берегам Швеции адмирал навлек гнев императрицы. Он вернулся в столицу 28 октября, по нездоровью не ездил в Адмиралтейств-коллегию и работал на дому. 1 декабря 1743 года Головин просил записать в журнале, что не в состоянии по болезни подписывать дела. 18 июня 1744 года коллегия заслушала высочайший указ об отпуске адмирала в Германию для лечения. Умер он скоропостижно в Гамбурге 15 июля 1745 года.

Адмирал владел английским, французским, шведским языками, был одним из образованнейших и воспитаннейших русских людей своего времени, был трудолюбив, осторожен в деле.

Погребен Н. Ф. Головин в Симоновом, монастыре, могила его не сохранилась. На месте разрушенной церкви в Симоновом монастыре высится Дворец культуры автозавода ЗИЛ. Однако существует замысел установить памятник в честь Н. Ф. Головина и других русских моряков, захороненных там.