Golovin debuteerde op 7 juni 2015 onder bondscoach Fabio Capello in het Russisch voetbalelftal, in een met 4–2 gewonnen oefeninterland tegen Wit-Rusland. Hij viel na 62 minuten in voor Roman Sjirokov en schoot in de 77e minuut de 2–2 binnen. Hij werd op 21 mei 2016 opgenomen in de Russische selectie voor het EK 2016 in Frankrijk. Daar werd de selectie onder leiding van bondscoach Leonid Sloetski in de groepsfase uitgeschakeld na een gelijkspel tegen Engeland (1–1) en nederlagen tegen Slowakije (1–2) en Wales (0–3). Hij behoorde een jaar daarna tot de selectie van bondscoach Stanislav Tsjertsjesov tijdens de Confederations Cup 2017. Rusland werd hierop in de groepsfase uitgeschakeld. Tsjertsjesov nam Golovin ook op in zijn selectie voor het WK 2018 in eigen land. Zijn ploeggenoten en hij bereikten hierop de kwartfinale. Hij speelde zelf vier van de vijf wedstrijden en scoorde in het groepsduel tegen Saoedi-Arabië.