Головинка расположена в устье реки Шахе, у побережья Чёрного моря в 25 км к юго-востоку от Лазаревского, в 43 км от Центрального Сочи и в 250 км от Краснодара.

Через Головинку проходят федеральная автотрасса А-147 «Джубга-Адлер» и железнодорожная ветка Северо-Кавказской железной дороги. Действуют железнодорожные платформы Головинка и Лазурный Берег.

Курортный посёлок расположен в холмистой равнине на южном склоне Главного Кавказского хребта. Средние высоты на территории аула составляют около 30 метров над уровнем моря. Высшей точкой в окрестностях посёлка является безымянная гора высотой в 224 метра.