Первоначально построен как деревоземляное сооружение, до 1730-х гг. перестраивался в камне. С 1730-х гг. по 1917 год бастион носил имя Анны Иоанновны. В 19 веке бастион был усилен кавальером и стал самым мощным фортификационным сооружением Петропавловской крепости. Головкин бастион использовался преимущественно для хранения артиллерийских снарядов и пороха. В настоящее время в помещениях бастиона располагаются службы Монетного двора.