Родилась 11 марта 1919 г. в гор. Ессентуки Терской области (ныне Ставропольский край) в семье Николая Евгеньевича Иванова (1890-1941) и Наталии Вильгельмовны Лангваген (1879-1940). Год рождения по паспорту - 1918. Приходилась внучатой племянницей поэту-символисту Вячеславу Иванову (1866-1949).
В 1932 г. переехала в Москву к родственнице. Принимала участие в школьных спектаклях, выступала с декламацией стихов.
В 1937 г., окончив школу с золотой медалью, поступила в Московский институт философии, литературы и истории им. Н.Г. Чернышевского на русское отделение.
В 1938 г. была принята во вспомогательный состав труппы Московского художественного театра - единственная из 637 претенденток. Вскоре вошла в основной состав труппы, была задействована в постановках: "Тартюф" по пьесе Жана-Батиста Мольера, "Синяя птица" по пьесе Мориса Метерлинка, "Пиквикский клуб" по романам Чарлза Диккенса, "Посмертные записки Пиквикского клуба", "Школа злословия" по пьесе Ричарда Шеридана и др.
С ноября 1941 г. по июль 1942 г. вместе с театром находилась в эвакуации в Саратове, затем - в Свердловске (ныне - Екатеринбург). В конце 1942 г. театр вернулся в Москву и продолжил работу. Кира Головко выходила на его сцену в спектаклях: "Последние дни" по пьесе Михаила Булгакова, "Царь Федор Иоаннович" по пьесе Алексея Толстого, "Илья Головин" по пьесе Сергея Михалкова и др.
В 1950 г. вместе с мужем - адмиралом Арсением Головко - переехала в Калининград, где в 1953 г. стала актрисой областного драматического театра. Была задействована в постановках: "Мария Стюарт" по трагедии Фридриха Шиллера, "Последняя жертва" по пьесе Александра Островского, "Баня" по пьесе Владимира Маяковского, "Накануне" по роману Ивана Тургенева и др.
В 1957 г. вернулась в Московский художественный театр. Исполняла роли в спектаклях: "Анна Каренина" по роману Льва Толстого, "Три сестры" и "Иванов" по драмам Антона Чехова, "На всякого мудреца довольно простоты" и "Лес" по пьесам Александра Островского, "Враги" по пьесе Максима Горького, "Валентин и Валентина" по пьесе Михаила Рощина, "Татуированная роза" по пьесе Теннесси Уильямса, "Кабала святош" по пьесе Михаила Булгакова и др.
В 1980-х гг. сотрудничала с Московским драматическим театром "Сфера", играла на его сцене в спектаклях "Театральный роман" по Михаилу Булгакову и "Доктор Живаго" по роману Бориса Пастернака.
Кира Головко также была известна в качестве киноактрисы. Дебютной для нее стала роль Анны Керн в историко-биографическом фильме Лео Арнштама "Глинка" (1946). В дальнейшем снималась в фильмах и сериалах: "Первоклассница" (1948, режиссер Илья Фрэз), "Председатель" (1964, Алексей Салтыков), "Война и мир" по роману Льва Толстого (1965-1967, Сергей Бондарчук), "День за днем" (1971-1972, Всеволод Шиловский и Лидия Ишимбаева), "На всю оставшуюся жизнь" по повести Веры Пановой "Спутники" (1975, Петр Фоменко) и др. Последняя роль - Ираида Эдуардовна в комедийной мелодраме Станислава Говорухина "Артистка" (2007). В общей сложности Кира Головко снялась в более чем 25 картинах.
С конца 1950-х гг. преподавала в Школе-студии МХАТ. Среди ее учеников - Евгений Киндинов, Борис Невзоров, Николай Караченцов, Алексей Гуськов, Михаил Ефремов и др.
Скончалась 16 августа 2017 г. в Москве на 99-м году жизни. Похоронена 18 августа 2017 г. на Троекуровском кладбище Москвы.
Народная артистка РСФСР (1957). Награждена орденами Дружбы (1998) и "За заслуги перед Отечеством" IV степени (2003). Удостоена Сталинской премии II степени (1947).
Лауреат премии Олега Табакова (1999, 2013).
Автор книги воспоминаний "Адмиральша" (2012).
Состояла в браке с адмиралом, командующим Северным флотом во время Великой Отечественной войны Арсением Головко (скончался в 1962 г.). Сын Михаил (род. 1949) - военный моряк. Дочь Наталья (род. 1953) - актриса.