Работал ассистентом оператора у Александра Левицкого (фильм «Луч смерти»). 

Творчество мастера развивалось в сотрудничестве с режиссером Всеволодом Пудовкиным. В первых же своих работах Анатолий Головня пытался освободиться от штампов старой операторской школы, в процессе работы осваивал новый монтажный метод съемки с его динамичной сменой планов и ракурсов, позволяющей активно выявить авторское отношение к материалу и придать экранному изображению особую выразительность. 

Съемка фильма «Мать» выдвинула его в первые ряды мастеров советского операторского искусства. Во многом следуя традициям реалистической живописи, Анатолий Головня стремился найти такую форму кадра, чтобы все его элементы с максимальной выразительностью раскрывали содержание эпизода.  

Эта тенденция отчетливо проявилась в своеобразии ракурсных построений, определивших новизну зрительского восприятия. Несмотря на скупость красок, оператор добивалась большой выразительности, органично вплетая изобразительную линию фильма в его драматическую ткань. 

Значительную роль в эмоциональной окраске для фильмов Головни играл пейзаж. Усиливая настроение и идейное содержание эпизодов, пейзажи мастера в то же время придавали фильму русский национальный колорит. В дальнейшем Анатолий Дмитриевич Головня широко использовал смелые экспрессивные повороты кинокамеры, приемы оптической деформации, стремился к максимальной динамичности композиции кадра. 

Скончался 25 июня 1982 года в Москве.