Юрий Головин пришел в Державинский университет в 1981 году на должность доцента кафедры теоретической физики. С 2007 года возглавляет НИИ «Нанотехнологии и наноматериалы», с 2009 г. работает по совместительству ведущим научным сотрудником на кафедре химической энзимологии химического факультета МГУ им. М.В. Ломоносова, зарегистрирован в федеральном реестре экспертов научно-технической сферы ФГБНУ НИИ РИНКЦЭ.
Основное направление научной деятельности профессора Головина: нанобиомедицина, тераностика, новые наномедицинские технологии в адресной доставке лекарственных средств, управление биохимическими процессами негреющим переменным магнитным полем, физико-химия наноструктур, нанотехнологии, наноматериалы.
Ученый опубликовал более 700 статей и обзоров в рецензируемых зарубежных и отечественных журнала, более 10 монографий и учебных пособий, получил более 60 патентов. Им сделано свыше сотни пленарных и приглашенных докладов на конференциях в США, Германии, Великобритании, Франции, Израиле, Италии, Испании, Греции и России. Индекс цитирования на конец апреля 2022 года по РИНЦ – 6500, индекс Хирша – 35; по Scopus – 2265, индекс Хирша 21; по WoS – 2500, индекс Хирша 23.
Профессор Головин – научный руководитель исследовательского коллектива «Наноструктуры и нанотехнологии», который был признан ведущей научной школой в Тамбовском государственном университете имени Г.Р. Державина. Под его руководством выполнено более 50 научно-исследовательских проектов с объемом финансирования свыше 450 млн. руб, более 30 из них в сфере нанотехнологий.
Количество докторантов, защитившихся под руководством Юрия Головина, – 10, аспирантов и соискателей – более 30.
Под руководством Юрия Головина НИИ «Нанотехнологии и наноматериалы» Державинского сотрудничает с университетами и исследовательскими институтами РФ: МГУ им. М.В. Ломоносова, отделениями РАН, НИТУ «МИСИС», Белгородским государственным университетом, Тольяттинским государственным университетом, Воронежским государственным университетом, Воронежским государственным техническим университетом и др. Юрий Головин связывает Державинский с зарубежными университетами, исследовательскими центрами и компаниями в сфере высоких технологий: Cambridge University (Великобритания), Case Western University (USA), Zircoa Inc. (USA), Imalux Inc. (USA), Наномедицинский центр Северной Каролины (Chapel Hill, USA), Наномедицинский центр Университета Небраски (Omaha, USA) и др. В каждой из этих организаций Юрий Головин работал на контрактной основе в качестве исследователя, лидера группы, консультанта или адъюнкт-профессора.
Юрий Головин проводил совместные и хоздоговорные работы с предприятиями и организациями Тамбовской области, среди них: ОАО «Тамбовский завод «Электроприбор»; ОАО «Завод подшипников скольжения»; ОАО «Корпорация «Росхимзащита»», подразделениями Тамбовского государственного технического университета и др.