Александр Яковлевич Головин родился в Москве 1 марта 1863 года, в семье священника. Через три года семья переехала в Петровско-Разумовское.
Н. И. Железнов, выдающийся русский ботаник и агроном, первым заметил талант будущего художника. С помощью академических профессоров, мальчик был определен в самые престижные учебные заведения Москвы. Он обучался в Катковском лицее, а после смерти отца, в 1878 году он перевелся в Поливановскую гимназию.
Здесь обучались такие знаменитые поэты, как В. Брюсов, Андрей Белый, М. Волошин и многие другие. В гимназии Поливанова существовал некий культ Шекспира. Именно здесь Головин влюбился в театр.
В 1881 году Головин поступил на архитектурное отделение Московского училища живописи, ваяния и зодчества. Вскоре он понял, что архитектура его не вдохновляет, и вскоре он перевелся на живописное отделение. В период обучения в училище Головин познакомился с Левитаном, Коровиным, Архиповым, Остроуховым, Нестеровым. Именно Нестеров представил Головина Врубелю. Молодых художников сближало совместное участие в «рисовальных и акварельных» вечерах.
После смерти матери в 1884 году, молодой художник остался без средств к существованию. В первые годы после окончания училища, он подрабатывал подмастерьем у декоратора А. Томашки, занимался росписью цветов на атласе под заказ. Художник, не стеснялся никакой работы.
В 1889 году он отправляется в Париж на Всемирную выставку. Головин был покорен новейшей французской живописью. Некоторое время он занимался во французской мастерской, где осознал, что все ранее сделанное им, это не то, что ему следовало сделать.
В сентябре 1897 года Головин женился на Марии Константиновне Котовой. Вскоре у них родились две дочери – Елена и Мария, а после сын Александр. Но, к сожалению, их союз оказался недолгим. Головин страдал. Страдания усугублялись потерей ближайшего друга и советчика — Е. Д. Поленовой. Выйти из такого состояния ему помогло сильнейшее увлечение искусством. Он много и упорно трудился. В 1898 году Головин был назначен на должность художника-декоратора Императорских театров. Он оформлял спектакли Большого театра в Москве, в частности оперы А. Н. Корещенко «Ледяной дом», Н. А. Римского-Корсакова «Псковитянка».
В 1901 художник переезжает в Петербург. Там с 1902 года Головин занимал пост главного декоратора Императорских театров и консультанта дирекции по художественным вопросам. Свои работы он создавал для Александринского и Мариинского театров. Он придумывает эскизы костюмов и декораций к операм «Орфей и Эвридика» К. В. Глюка; «Каменный гость» А. С. Даргомыжского; спектаклям «У врат царства», К. Гамсуна; «Гроза» А. Н. Островского, «Маскарад» М. Ю. Лермонтова; «Песнь соловья» И. Ф. Стравинского и многим другим. С 1899 Головин был постоянным участником выставок «Мира искусства, а с 1902 годы являлся членом объединения и одним из сотрудников журнала «Мир Искусства». В 1903 вступил в Союз русских художников. В период с 1906 по 907 год художник создает цикл декораций к опере Ж.. Бизе «Кармен». Один из эскизов – к первому акту спектакля – дает полное представление о том, какой художник представлял себе Испанию.
К опере художник также создал цикл портретов испанок, который стал скорее отдельным циклом работ художника, чем просто вариантами типажей и костюмов к конкретной театральной постановке. Его театральные пейзажи настолько реалистичны, что невольно становишься участником театрального представления. С 1908 по 1917 год сотрудничал с В. Э. Мейерхольдом, оформлял постановки антрепризы Дягилева Русские сезоны в Париже. Совместно с Н. К. Рерихом и Д. С. Стеллецким создал костюмы и декорации к операм «Борис Годунов» М. П. Мусоргского, а также декорации к балету «Жар-птица» И. Ф. Стравинского. В 1912 году Головин стал действительным членом Академии художеств. В это же время у него обнаружились первые признаки серьезной сердечной болезни, и врачи посоветовали художнику покинуть столицу. С 1913 года и до самой смерти Головин жил в Царском Селе.
После 1925 года Головин практически не выезжал из Царского Села. Но перед этим художник успел встретиться со Станиславским в Одессе. Результатом этого стала совместная работа над «Женитьбой Фигаро» Бомарше. В 1927 году в Художественном театре с оглушительным успехом прошла премьера спектакля. Сам же художник, по причине болезни, не смог попасть на премьеру. В 1928 художник был удостоен звания «Народный артист РСФСР».
17 апреля 1930 года Александр Яковлевич умер.