Село Головинщино впервые упоминается в окладных книгах (о сборе налога) 1676 года как село Алексеевское Раненбургского уезда. Среди тех, кто получил здесь землю, был Головин В. В. из рода московских бояр, занимавших должности великокняжеских казначеев, а в XVII веке – комнатных стольников. Село называлось «Алексеевское» до 1895 года, затем оно стало называться «Головинщино».

Самые первые упоминания о деревянной церкви святителя Алексия, митрополита Московского в «новоселебном селе Алексеевском» (Головинщино) появились в 1689 году. Также в окладных книгах говорится о том, что в 1752 году она сгорела. На этом же месте была построена новая деревянная церковь.

Еще одна деревянная церковь была построена в 1781 году, храм был освящён во имя свв. Космы и Дамиана. Обе церкви сгорели 1797 году. А в следующем 1798 году местный помещик В. В. Головин просил епархиальное начальство о дозволении ему «вместо двух сгоревших в том селе церквей построить также две деревянные церкви – одну в честь явления иконы Божией Матери Казанския с приделами Никольским и Алексиевским, другую – на кладбище в честь святых безсребренников Космы и Дамиана».

Деревянный Космодамианский храм построен и освящён в 1801 году. В 1805 году в Казанском храме был закончен и освящён только Алексиевский придел.

В этот период времени в селе часто бывал известный подвижник веры и благочестия преподобный Иларион Троекуровский. Родился он в соседнем селе Зенкино, но ходил учиться грамоте к священику села Алексеевское Трофиму Иосифовичу. На двадцатом году жизни Иларион оставил родительский дом и поселился у о. Трофима, потом странствовал по святым местам, а вернувшись, поселился в пещере в Воловом овраге в четырех верстах от Алексеевского. Шесть лет он прожил в пещере, спал на постели из дубовых сучьев и круглый год ходил босым, одет же был в белую холщовую рубаху и халат. Слава о святой жизни и даре духовного прозрения Илариона распространилась в округе и к нему стали стекаться ищущие спасения души и утешения в скорбях. Для них Иларион вырыл в Воловом овраге колодезь, сохранившийся до сих пор, вода его исцеляет верующих. Дальнейшая жизнь подвижника была связана с Большой Карповкой, рядом других сёл нынешнего Лев Толстовского района, а затем с селом Троекурово.

Храм Казанской Божией Матери сгорел в 1840 году. В 1864 году стали возводить каменный храм, строительство которого затянулось на много лет. Построение завершилось в 1905 году, был освящён в честь Преображения Господня главный алтарь.

При храме с 1884 года действовала церковно-приходская школа.

Преображенский храм закрыли в 1937 году.  В конце Великой Отечественной войны жители Головинщино обратились к местным властям с просьбой открыть храм. Но просьба была отклонена.

По данным 1962 года в закрытом храме был организован склад. После этого храм много лет использовался не по своему назначению и к настоящему времени пришёл в аварийное состояние.