Деревня находится в юго-восточной части области, в зоне хвойно-широколиственных лесов[2], к западу от реки Оки, при автодороге 46К-5380, на расстоянии примерно 3 километров (по прямой) к востоку от города Луховицы, административного центра района. Абсолютная высота — 136 метров над уровнем моря[3].
Климат характеризуется как умеренно континентальный, с умеренно холодной снежной зимой и тёплым летом. Среднегодовая температура воздуха — 2,7 — 3,8 °C. Средняя температура воздуха самого холодного месяца (января) — −6,6 °C (абсолютный минимум — −34,6 °C), средняя температура самого тёплого (июля) — 20,3 °С. Продолжительность периода со среднесуточной температурой ниже 0 °C составляет 120—135 дней. Годовое количество атмосферных осадков — 632 мм, из которых 437 мм выпадает в период с апреля по октябрь[4].
Головачёво, как и вся Московская область, находится в часовой зоне МСК (московское время). Смещение применяемого времени относительно UTC составляет +3:00[5].
Согласно результатам переписи 2002 года, в национальной структуре населения русские составляли 91 %[8].