Оператор, теоретик кино, режиссер, педагог. Заслуженный деятель искусств РСФСР (1935), доктор искусствоведения (1966). Герой Социалистического Труда (1980). Закончив гимназию, Головня поступает в Херсонский политехнический институт на агрономический факультет. В 1921 году институт преобразовали в Сельскохозяйственный техникум. Желая получить высшее образование, Анатолий оставляет техникум и отправляется в Москву. В 1926 году окончил ГТК (ныне ВГИК). Основам киноискусства учился у Л.В. Кулешова, был ассистентом оператора у А. Левицкого. Совместная работ на с Всеволодом Пудовкиным на фильме "Механика головного мозга, переросла в творческую и личную дружбу. С 1935 года - руководитель кафедры операторского мастерства ВГИКа. Один из основоположников отечественной школы операторского мастерства. Лучшая работа в немом кино - съёмки трилогии В.И. Пудовкина «Мать», «Конец Санкт-Петербурга», «Потомок Чингисхана». Первым освоил метод монтажной съёмки, успешно применял крупный план, подсветку глаз, что придавало экранному изображению особую выразительность. Особое место в фильмах Головни занимали пейзажи, контрастные по настроению - лирические и тревожно-напряжённые. В 1940-е годы обратился к исторической тематике: поставил фильмы: «Суворов», «Адмирал Нахимов». В 1972 году был удостоен почётной премии Венецианского кинофестиваля за совокупность творчества.
Автор книг: «Свет в искусстве оператора» (1945), «Фотокомпозиция» (1962, совместно с Л.П. Дыко), «Мастерство кинооператора» (1965), "Экран - моя палитра", по которым до сих учатся студенты операторского факультета ВГИКа.