В 1848 году, воспользовавшись временной отставкой из-за болезни, Головнин по собственной инициативе в течение восьми месяцев ездил по губерниям Центральной России, собирая сведения о положении крепостных, их нравственном быте, отношении к помещикам. Итогом его наблюдений, разговоров не только с помещиками и губернаторами, но и с крестьянами стали записки «О крепостных крестьянах». В результате этой поездки Головнин пришел к выводу о том, что при отмене крепостного права необходимо учитывать особенности местной жизни, традицию отношений помещиков и крестьян, типы их хозяйства. Крестьян, выполняющих для помещика меньше повинностей, чем «сколько они получают от него выгод», можно было бы с успехом превратить в фермеров, других – менее обеспеченных – в арендаторов.

В годы подготовки крестьянской реформы при Александре II Головнин получил возможность громче заявить о своей позиции. К этому времени (1850–1860) он тесно сотрудничал с великим князем Константином Николаевичем, помогая ему в качестве личного секретаря готовить проекты морских уставов. Летом 1857 года великий князь Константин Николаевич был назначен членом Секретного (с 1858 года Главного) комитета по крестьянскому делу, а с октября 1860 года стал его председателем.

Тогда же (июль 1857 года) Головнин предпринял попытку освободить собственных крестьян в Гулынках. Однако крестьяне отказались от предлагаемой барином свободы, объяснив ему свои мотивы: «Когда ты от нас совсем отступишься, нас всякий теснить будет, а мы твоею милостью много довольны». Этот эпизод Головнин описал в записке для Секретного комитета. Он совсем не подчеркивал, что его вотчина не совсем типичный для крепостнической России уголок социального мира, где крестьяне не знали притеснений со стороны помещика. Гулынская картинка понадобилась ему для других целей. Головнин убеждал высшую администрацию в том, что слухи о свободе не произвели никаких беспорядков и «не внушили гулынским крестьянам желания выйти из-под власти помещика». «Не доказывает ли это, – спрашивал Головнин, – что крайне преувеличены опасения последствий, которые могут произойти от печатания в официальных журналах наших статей о способах освобождения крестьян от крепостного права?» Отсюда следовала мысль о пользе привлечения журналистики для гласного обсуждения крестьянского вопроса, остававшегося тогда еще строго секретным. Кроме того, поддержка реформы прессой, в которой Головнин не сомневался, помогла бы ослабить голоса ее противников в окружении императора.

В июне 1860 года Головнин повторил путешествие по Центральной России. Теперь он пошел «в народ» по прямому поручению Константина Николаевича в момент завершения крестьянской реформы. Обоих интересовало мнение крестьян о заключительном проекте, подготовленном Редакционными комиссиями Главного комитета. Прогнозы Головнина были пессимистичны. «Неизгладимо грустное впечатление» произвело на него дворянство, которое действовало, «заботясь только о своей сегодняшней материальной выгоде и не произнося слова в пользу и в защиту» крестьян. Головнин составил из отзывов крестьян специальную записку для Главного комитета. Он не скрывал недовольства крестьян многоступенчатой системой управления, специально для них созданной, сохранением монополизма общины, временнообязанным состоянием, высокими оброками и другим. Все это, по его мнению, уводило реформу от ее истинной цели погасить взаимное нерасположение, вражду обоих сословий или, по крайней мере, достигнуть того, «чтоб они были равнодушны одно к другому».