Dmitrijs Golovņins 1997. gadā beidzis Sanktpēterburgas Valsts konservatorijas trompetes klasi. 27 gadu vecumā sācis vokālās nodarbības pie konservatorijas pedagoga S. Burejeva. Vēlāk mācījies vokālu pie Franča Cundgebera, Virgīlija Noreikas un Jeļenas Obrazcovas. No 2007. gada ir Mihaila teātra trupas solists, kur atveidojis Donu Hosē Žorža Bizē operā “Karmena”, spēlējis Ļenska lomu Pētera Čaikovska operā “Jevgeņijs Oņegins”, kā arī titullomu Aleksandra Borodina iestudējumā “Kņazs Igors” un Ļikovu Rimska-Korsakova koncertuzvedumā “Cara līgava”. Tāpat koncertējis trupas sastāvā Igaunijā un Japānā.
2012. gadā piedalījies operas “Amerikāņu Lulu” pirmizrādē, kas notika Berlīnes Komiskajā operā (diriģents Johanness Kalicke, režisors Kirils Serebreņņikovs). Tai pašā gadā uzstājies arī Veksfordas Operas festivālā, kur atveidojis Federiko lomu Žorža Bizē operā “Arliete”. Tāpat 2013. gadā piedalījies operas “Idiots” pasaules pirmizrādē Manheimas Nacionālajā teātrī (diriģents Tomass Zanderlings), kur atveidojis titullomu. Marijas teātrī spēlējis Makdufa lomu Džuzepes Verdi operā “Makbets”.
Tāpat sadarbojas ar vairākiem Eiropas opernamiem: Lībekas teātri, Berlīnes Komisko operu, Briseles Karalisko operu La monnaie, Flāmu operu Antverpenē un citām.
Šobrīd ir vadošais solists Mihaila teātrī, kur piedalās tādos iestudējumos kā Džuzepes Verdi “Traviata” un “Masku balle”, Džakomo Pučīni “Toska”, Riharda Vāgnera “Klīstošais holandietis”, Antonīna Dvoržāka “Nāra”, Pētera Čaikovska “Jolanta” un citos.
2018./2019. gada sezonas ietvaros Dmitrijs Golovņins uzstājas Amsterdamas Concertgebouw (Grigorijs operā "Boriss Godunovs"), Vīnes teātrī Theater an der Wien (Šarls - "Orleānas jaunava"), Lionas opernamā (Šapkins - "No mirušo nama"), Latvijas Nacionālajā operā (Dons Hosē - "Karmena"), Mihaila teātrī (Kanio - "Pajaci"; Kavaradosi - "Toska"; Ēriks - "Klīstošais holandietis").