18 августа 1943 года немецкие войска предприняли мощную атаку против советских войск в районе города Ахтырка. В наступление были брошены пехотные части при поддержке артиллерии и авиации. Со второй попытки войскам противника удалось прорвать переднюю линию советской обороны и вклиниться в неё. В тех боях отличился Головин. Когда противник нанёс удар по левому флангу 166-й стрелковой дивизии, он вместе с командиром огневого взвода младшим лейтенантом А. Н. Гайдаш организовал круговую оборону двумя батареями дивизиона, отразив несколько танковых контратак. Оборонявшиеся подбили 6 танков «Тигр», 3 средних танка, 1 самоходную установку, 1 бронемашину и 3 бронетранспортёра, а также уничтожили около батальона пехоты противника. В дальнейшем при переправе через Днепр к югу от Киева дивизион Головина своим огнём содействовал переправе основных сил бригады. Указом Президиума Верховного Совета СССР от 9 февраля 1944 года за «умело проведенную партийно-политическую работу, героизм, проявленный в боях под Ахтыркой и при форсировании Днепра» старший лейтенант Григорий Головин был удостоен высокого звания Героя Советского Союза с вручением ордена Ленина и медали «Золотая Звезда» за номером 3387