Сергей Петрович Голованов родился в деревне Ново-Харитоново под Москвой. В 1928 окончил керамическое училище, до 1933 года работал по специальности. В 1933-1937 - актер студии "Постройка", с 1937 - актер театра Морфлота, затем - 1-го Колхозного театра в Москве.
   Во время Великой Отечественной войны - актер фронтовых театров.
   С 1953 - актер Театра-студии киноактера в Москве.
   Заслуженный артист РСФСР (1953).
   Был мужем актрисы Марии Виноградовой (1922-1995), дочь - актриса Ольга Голованова (1963).
   Похоронен на Хованском кладбище (Северная территория, участок № 214).