Род. в г. Нижний Новгород, русский. Отец - капитан буксирного парохода, мать - дочь народовольца Николая Кибальчича, одного из участников покушения на Александра II., оперная певица.

С 8 лет воспитывался в Александровском кадетском корпусе
Окончил среднюю школу имени Я. М. Свердлова в Нижнем Новгороде (1924). Окончил летную школу ОСОАВИАХИМа (1932). Окончил общевойсковой факультет Высшей военной академии имени К. Е. Ворошилова с золотой медалью (05.1948-50). Окончил Высшие офицерские курсы "Выстрел" (1951-52).

член ВКП(б) с 1929 г.
В 1937 г. был исключен в Иркутске, но добился восстановления в КПК ЦК ВКП(б)

В октябре 1917 г. 13-летний Голованов вступил в Красную гвардию. Работал с 1918 года курьером в конторе "Профсохлеб" Народного комиссариата продовольствия.
В РККА с мая 1919 года - разведчик 59-го стрелкового полка 28-й стрелковой дивизии на Восточном фронте, затем разведчик того же полка 7-й стрелковой дивизии на Южном фронте, был контужен в бою в сентябре 1920 года. демобилизован в октябре 1920 года
курьер в Центральном управлении снабжения Красной Армии и Флота, агент Центропечати, агент по сплаву леса Волгосудстрое , агент и электромонтер в 5-м Волжском полку ГПУ в г. Нижний Новгород.
+ в 1920-21 - боец отряда ЧОН.
С 10.1924 года - служил в ОГПУ в особых отделах и на оперативной работе в Нижнем Новгороде и в Москве,
уполномоченный ОО Дивизии ОГПУ особого назначения им. Дзержинского (=1925=)
занимал должности от уполномоченного до начальника отделения. Принимал участие в аресте Бориса Савинкова. Дважды выезжал в командировки в Китай (провинция Синьцзян) в 1930 и в 1931 годах. Кроме того, находился в командировках в Монголии и в Франции.
В 08.1930-31 - на рук. работе в ПП ОГПУ СССР по Казахской ССР в Алма-Ате.
В 12.1931-1933 - ответ. секретарь заместителя Народного комиссара тяжелой промышленности СССР.
В 07.1933-34 - пилот, помощник командира авиаотряда Московского управления ГВФ
В 09.1934 - ? - командира особого авиаотряда тяжелых кораблей Среднеазиатского управления ГВФ (Ашхабад),
? - 01.1936 - нач-к Среднеазиатского территориального управления ГВФ /
Оргбюро ЦК ВКП(б) решением от 26.01.1936 утвердило Приказ нач-ка ГУГВФ о его переводе из нач. Среднеазиатского территориального управления ГВФ в нач. Восточно-Сибирского управления упр-я ГВФ
с января 1936 - 1937 - начальника Восточно-Сибирского управления Гражданского воздушного флота, Иркутск.
+ с 1936 г. - член Совета при начальнике ГВФ СССР.
в 09.1937-06.1938 - летчик 27-го транспортного авиаотряда в Московском управлении ГВФ.
С июня 1938 года - пилот-инструктор 3-го транспортного авиаотряда - шеф-пилот эскадрильи особого назначения Московского управления ГВФ.
С мая по октябрь 1939 года участвовал в боевых действиях на Халхин-Голе, будучи прикомандирован в распоряжение штаба ВВС РККА /пилотировл "Дуглас" на котором летал Г.Жуков и другие высшие офицеры/.
С Участвовал также и в Советско-финской войне.
С февраля 1940 года - шеф-пилот Московского управления ГВФ. С февраля 1941 года зачислен в кадровый состав Красной Армии и назначен командиром 212-го полка дальнебомбардировочной авиации.
С 17 августа 1941 года командир 81-й авиационной дивизии дальнего действия, Монино.

Командующий Авиацией дальнего действия СССР (02.1942-1944), командующий 18-й воздушной армией (1944-1946), командующий Дальней авиацией СССР (1946-1948); в распоряжении Военного министра СССР (1950-51);
с мая 1952 года по апрель 1953 года командовал 37-м гвардейским воздушно-десантным корпусом.
С 1953 - в отставке. С 1958 года работал заместителем начальника НИИ Гражданской авиации по летной службе.
С 1966 года - на пенсии.

Депутат Верховного Совета СССР 2-го созыва (1946-1950).

Маршал авиации (3 августа 1943 года),
Главный маршал авиации (19 августа 1944).

Награды:
Два ордена Ленина (17.04.1940; 20.06.1949)
Три ордена Красного Знамени (17.11.1939; 22.10.1941; 3.11.1944)
Три ордена Суворова 1-й степени (28.01.1943; 17.04.1945; 18.08.1945)
Орден Красной Звезды (22.02.1968)
Медаль "За отвагу" (28.10.1967)
Медаль "Партизану Отечественной войны" I степени (11.09.1943)
Медаль "За оборону Москвы" (1.05.1944)
Медаль "За оборону Сталинграда" (22.12.1944)
Медаль "За победу над Германией" (9.05.1945)
Медаль "За взятие Кенигсберга" (9.06.1945)
Медаль "За взятие Берлина" (9.06.1945)
Юбилейные медали СССР
Орден "Крест Грюнвальда" I степени (Польша)
Орден Сухэ-Батора (Монголия)
Орден Красного Знамени (Монголия)
Орден "За боевые заслуги" (Монголия)[8]
Знак "Отличник Аэрофлота" и знаки "За безаварийный налет" 300 000 и 500 000 км

Автор мемуаров:
Голованов А. Е. Дальняя бомбардировочная… Воспоминания Главного маршала авиации 1941-1945. - М.: Центрполиграф, 2007.

Жена - Тамара Васильевна, была дочерью купца 1-й гильдии из Вологодской губернии. Умерла в 1996 году.
Дети - Светлана (род. 1934), Тамара (род. 1938), Вероника (1943-2003), Ольга (род. 1945), Святослав (1947-1996).

Умер в г. Москва