Родился 9 декабря 1960 г. в Ленинграде (ныне Санкт-Петербург).
В 1982 г. окончил библиотечный факультет Ленинградского государственного института культуры имени Н. К. Крупской (ЛГИК, ныне Санкт-Петербургский государственный институт культуры, СПбГИК). В 1990 г. прошел обучение в летней школе фольклориста (Folklore Fellow’s Summer School) в финском г. Турку.
Доктор филологических наук. В 1987 г. в ЛГИК защитил кандидатскую диссертацию на тему "Научно-популярная книга для детей в СССР: вопросы типологии и издания", в 2000 г. в Институте русской литературы РАН - докторскую диссертацию на тему "Русская колыбельная песня: фольклорная и литературная традиции". Профессор (2002).
В 2000 г. получил докторскую степень Ph.D. в Академии Або (Abo Academi, шведоязычный юридический университет в Турку).
С 1984 г. работал в ЛГИК ассистентом, затем доцентом, профессором. В 1995 г. стал заведовать кафедрой детской литературы, а после ее объединения с кафедрой литературы в 2011-2012 гг. возглавлял кафедру литературы и детского чтения института. До 2013 г. являлся проректором СПбГИК по научной работе. В институте читал курс "История детской литературы до 1917 г.", спецкурс "Текстология".
Одновременно в 1998-2000 гг. являлся научным сотрудником отделения русского языка и литературы Abo Academi.
Был приглашенным лектором в Университете Сорбонны (Париж, Франция), Краковском, Хельсинском и Стокгольмском университетах.
В 2013 г. начал работать ведущим научным сотрудником в Институте русской литературы (Пушкинском доме) Российской академии наук (сокр. ИРЛИ РАН). С 2015 г. по н. в. является руководителем Центра исследований детской литературы ИРЛИ РАН.
В июне 2017 г. Валентин Головин был назначен директором ИРЛИ РАН. Сменил в этой должности члена-корреспондента РАН Всеволода Багно, возглавлявшего институт с 2007 г.
В научные интересы профессора Головина входят фольклористика, детская литература, текстология. В 1980-2008 гг. он был руководителем более 30 научных экспедиций (антропологических, этнографических, фольклорных), включая международные, на северо-западе РСФСР/РФ, в Армении и Финляндии.
Автор монографии "Русская колыбельная песня в фольклоре и литературе" (2000), автор и соавтор ряда статей и докладов: "Новейшие публикации автографов Пушкина" (1983), "Недошедшие произведения Пушкина" (1986), "Фольклор русских в Финляндии" (1990), "Уроки воспитания сквозь призму истории: традиционные формы воспитания у русских крестьян в XIX - нач. XX в." (1992), "Детский фольклор: итоги и перспективы изучения" (2005), "Н. А. Некрасов: три опыта в одном жанре" (2006), "Первое сравнительное исследование в области детского фольклора или критика через два века и семь лет" (2015) и др.