Né dans une famille de musiciens, Dmitry Golovin étudie la trompette au Conservatoire Rimski-Korsakov de Saint-Pétersbourg. Soliste à l’Orchestre symphonique de la Cappella de Saint-Pétersbourg puis stagiaire au Théâtre Mariinski, il a été membre de l’ensemble Neva Brass. Il prend ses premiers cours de chant lyrique au Conservatoire de Saint-Pétersbourg à l’âge de 27 ans, puis se forme à la Hochschule für Musik und Theater de Hambourg auprès de William Workman, et se perfectionne avec Vergilius Noreika, Franz Grudkheber, Elena Obratzova et Bardi Maisuradze. Il fait ses débuts à l’opéra durant la saison 2003-2004, incarnant Don José dans Carmen (Bizet), production du Festival de Séville et du Théâtre de Lübeck, et Lyonel dans Martha (von Flotow) à Solingen. De 2005 à 2007, il était soliste à l’Opéra de chambre de Saint-Pétersbourg auprès de Yuri Alexandrov. En 2007, il rejoint le Théâtre Michel où il se produit encore régulièrement. En 2013, il est nommé pour un prix du Masque d’or pour son interprétation d’Erik dans Le Vaisseau fantôme (Wagner). Il interprète aussi Macduff dans Macbeth (Verdi) au Théâtre Mariinski, Paco dans La Vie brève (de Falla) à Lübeck, l’Artiste dans American Lulu (Berg et Neuwirth), Max dans Le Freischütz (Weber) et Agrippa von Nettesheim dans L’Ange de feu (Prokofiev) au Komische Oper de Berlin, Dante dans Francesca da Rimini et Albert dans Le Chevalier avare (Rachmaninov) à la Monnaie de Bruxelles, Federico dans L’Arlesiana (Cilea) au Festival de Wexford, Andreï Khovansky dans La Khovanchtchina (Moussorgski) sous la direction de Dmitri Iourovski et le rôle-titre dans Le Roi Candaule (Zemlinsky) à l’Opéra flamand d’Anvers. En 2013, il a interprété le Prince Mychkine dans la première mondiale de L’Idiot (Weinberg) avec Thomas Sanderling au Théâtre de Mannheim; en 2016, il chante le rôle de Don Juan dans Le Convive de pierre (Dargomyjski) au Théâtre Bolchoï, et incarne Don José à l’Opéra de Lettonie, Méphistophélès dans L’Ange de feu à Zurich avec Gianandrea Noseda et le Prince dans Rusalka (Dvořák) à Buenos Aires en 2017. Durant la saison 2018-2019, il incarne Grigori dans Boris Godounov (Moussorgski) à Paris, rôle qu’il reprend au Concertgebouw d’Amsterdam ; il interprète aussi Alexei dans Le Joueur (Prokofiev) à Bâle et le Roi Charles VII dans La Pucelle d’Orléans (Tchaïkovski) au Theater an der Wien. Récemment il a incarné Alexei à l’Opéra de Vilnius, Hermann dans La Dame de pique (Tchaïkovski) à la Monnaie de Bruxelles. À l’Opéra de Lyon, il a interprété Chapkine dans De la maison des morts (Janáček) en 2019.