Яков Фёдорович Головацкий родился 17 октября 1814 года (по старому стилю) в селе Чапели (ныне Бродовский район Львовской области Украины). Род Головацких (по-польски Гловацких) происходил из города Николаева Стрыйского уезда. По семейному преданию, они были дворянами из шляхты, герба Прус. Дед Якова, Иван, был бургомистром Николаева, а отец его, Фёдор, униатский священник, окончил Львовскую образцовую нормалку и женившись на дочери турянского священника Василия Якимовича Фёкле Васильевне, поселился в Чепелях. Всего у Фёдора Головацкого и Фёклы было десять детей, трое из которых умерли в детстве. В доме Головацких общение велось преимущественно на польском языке, но с детьми родители всегда говорили по-русски. Фёдор Головацкий недолюбливал поляков, хорошо относился к России, но при этом оставался австрийским патриотом. Нянькой Якова была русская девочка, дочь казачки. В четыре года мать начала учить его чтению
В 1820 году Якова отдали в школу во Львове. Но вскоре он тяжело заболел и был вынужден вернуться в деревню, где во время выздоровления изучил основы церковнославянского языка. В 1832 году он возобновил своё обучение в школе, делая успехи в немецкой грамматике. В это время он жил на Краковской площади, выше костёла св. Яна, где среди соседей его были четыре брата, сыновья священника — Децикевичи и крестьянский сын Боицкий, которые любили петь хором молитвы и народные песни. Головацкий запоминал тексты и записывал их в тетрадь латиницей (русской скорописи он не знал), это стал его первый сборник народных песен.
В 1825 году Головацкий поступил во вторую, так называемую Доминиканскую Гимназию. Он пристрастился к чтению, запоем читал книги на немецком, польском, а затем на деньги, которые иногда дарил ему дед, начал покупать книги русских писателей — Котляревского, Державина, Основьяненко и других. По-русски читать он выучился по русскому букварю, который ему подарил еще ранее дьяк Домбровский. В старших классах Головацкий освоил латынь, и мог свободно читать Валерия Максима, Юлия Цезаря, Цицерона и Вергилия. Среди гимназистов было много молодёжи из разных краёв — поляков, мадьяр, которые рассказывали о своих обычаях, родных местах, пели песни. Головацкий с несколькими русинами, в том числе со своим братом Иваном, братьями Сриновичами, Леонтовичем, Загайским и другими составили хор, разучили народные галицко-русские а также российские песни и распевали их на загородных гуляньях и дома. В годы юности Головацкого конфронтации между русинами и поляками не было, они вместе идеологически противостояли немцам, причём иногда дело доходило до драки по какому-нибудь политическому вопросу. Впоследствии отношения между поляками и русинами начали осложняться. Поляки мечтали о возрождении Польши, русинами же видели своё будущее с Россией. Ещё более накалились отношения во время Польского восстания 1830-31 годов. Студенты-поляки собирали деньги, оружие и припасы для восставших, некоторые сами переходили границу и присоединялись к восставшим. Русинами же с радостью восприняли поражение восстания.
В 1832 году Головацкий окончил гимназию и поступил на философский факультет Львовского университета. Атмосфера в университете была свободной, и Головацкий читал даже на лекциях книги по истории и языкознанию, преимущественно славянскому и русскому. Изучение русского языка без учителя было трудным занятием, учитывая то, что по грамматике он смог найти только одну книгу — немецко-русскую грамматику Гейма. Кроме того, он нашёл и переписал весь сборник малорусских песен Максимовича и некоторые песни Кирши Даниловича. Его интерес к русскому языку заметил студент второй коллегии университета Маркиан Шашкевич, который имел сходные увлечения и предложил объединиться в кружок. Он познакомил Головацкого с ещё одним русином — Иваном Вагилевичем. Отныне они стали неразлучными друзьями, регулярно встречались, пели, рассуждали о литературе, истории, политике, и почти всегда говорили по-русски, отчего их в шутку называли «русская тройца». Головацкий из сэкономленных денег покупал книги, преимущественно русские — польско-русскую грамматику Гродзицкого, «Лиру» Державина, «Историю» Бантыш-Каменского, «Малороссийскую деревню» Кулжинского, Пушкина в польском переводе и другие. Но кроме русской литературы, студенты зачитывались и польскими поэмами Богдана Залесского, Мальчевского и Гощинского — поэтов «малорусской школы», откуда черпали идеи о самобытности малорусского народа. Тем временем, кружок ширился, и у молодых людей зародилась мысль о выпуске своего издания. Было решено выпустить альманах «Зоря» на народном языке. Студенты начали подбирать материал, писать статьи, и встал вопрос о правописании. Головацкий предложил правописание Максимовича, а товарищи его требовали употребления фонетического правописания (впервые применённого Вуком Караджичем). В конце концов было решено печатать фонетикой, не допуская латинских букв и выбросив «ы» и твёрдый знак. Но изданию не суждено было сбыться — цензурой сборник пропущен не был.
Тем временем к кружку примкнул мазур Игнатий Паули, изъявивший желание обучиться русскому языку и интересовавшийся славянством. Он ввёл русинов в польское общество, в среду радикально настроенных поляков. На польских собраниях заводились речи о том, как прогнать немцев и устроить свою польскую республику или королевство. Как выяснилось потом, Паули был вербовщиком, имевшим цель завербовать активистов для готовящегося восстания. Головацкий изначально относился к нему подозрительно, тем более что он выманил у них тетради с народными песнями, а потом переписал их латиницей и продал книготорговцу и издателю К. Яблонскому. Головацкий решил не связываться с поляками и их восстанием, а заниматься просвещением и поддержкой галицких русин.
В 1834 году граф Ян Тарновский, до которого дошёл слух об увлечениях студентов церковнославянским языком, обратился к своему знакомому Василевскому, у которого в попечении находился Маркиан Шашкевич (сирота священника) с просьбой о том, чтобы тот прислал ему кого-то из студентов для работы со старославянскими рукописями и старорусскими памятниками письменности. Шашкевич порекомендовал Василевскому Головацкого и Вагилевича. Василевский снабдил их рекомендательным письмом к Тарновскому, и весной 1834 года они отправились в путь, в университете сказавшись больными. Путешествие по Западной Галичине несло для них много открытий в области языка народного, обычаев крестьян. Целью их похода было местечко Диков, на равнине над Вислой. Граф Тарновский радушно принял их, и несколько дней и ночей они провели в его архивах, изучая древние рукописи. Вагилевич, переписывающийся с историком М. Погодиным, сообщил ему о нескольких находках, а Головацкий переписал некоторые грамоты, которые потом были напечатаны Д. Зубрицким в «Актах Западной России».
В то время ещё слишком сильно было польское влияние, и имели широкое хождение идеи о том, что галицкие русины — это часть польского народа. Образованные русины активно выступали против таких идей, распространяемых поляками и полонофилами — Вацлавом Залесским, Иосифом Лозинским, Гвальбертом Павликовским и другими. Свой протест заявил и русский кружок Львовского университета. Статья Шашкевича против латинского алфавита «Азбука и Abecadlo» была напечатана в Перемышле тиражом в три тысячи экземпляров. Занимаясь «народным делом», студенты стали заметно отставать в учёбе. Головацкий и Вагилевич, поняв, что им не сдать экзамены, остались на второй год. В 1834 году Головацкий оставил Львовский университет и поступил в Кошицкую академию, где окончил первый курс, после чего перевёлся в Будапештский университет. Там он завёл знакомство со знаменитым панславистом Яном Колларом. А в 1835 году он возвратился во Львов и пошёл на второй курс философского факультета Львовского университета. За это время он успел пешком обойти Галицкую и Угорскую Русь, написал путевые заметки, которые издал в «Часописи Чешского музея» под названием «Cesta pa halick? a uhersk? Rusi» (Путешествие по Галицкой и Угорской Руси). В 1837 году в Венгрии была издана «Русалка Днестровая», в которую вошли все материалы неудавшегося альманаха «Зоря».
В 1841 году Головацкий окончил богословский факультет Львовского университета. В этом же году он женился на Марии Андреевне Бурачинской. В 1842 году он был рукоположен во священники и получил назначение приходским сотрудником в село Микитицы. Поселившись там, он начал работу над своими литературными произведениями: «Венком русинам на обжинки», который был издан Иваном Головацким в Вене в 1846 году на средства итальянского князя Лукки и статьёй «Zust?nde der Russinen in Galizien», изданной в Лейпциге в 1847 году. В результате путешествия по Карпатам и изучения древних памятников он написал очерк «Великая Хорватия или Галицко-Карпатская Русь» (1847). Очерк был опубликован в Вене и сделал Якова Головацкого известным. На «Соборе русских ученых» во Львове Головацкий прочитал доклад «Росправа о языце южно-русском и его наречиях», благодаря которому получил звание кандидата русского языка и литературы при Львовском университете. В 1846 году Головацкий получил свой приход в селе Хмелевой и переселился туда.
В 1848 году Головацкий начал преподавательскую деятельность во Львовском университете. Он был назначен профессором украинского языка и словесности. В этом же году был напечатан его очерк «Росправа о языце южно-русском и его наречиях». С течением времени напечатаны были также некоторые из его лекций: «Три вступительные преподавания о русской словесности» (1848), «О деловом языке у нас на Руси» (1849), «Хрестоматия церковно-славянская и древнерусская» (1854), «Очерк старо-славянского баснословия» (1860), «О первом литературно-умственном движении в Галиции со времен австрийского владения» (1865). В 1858 году Головацкий стал деканом философского факультета, а в 1864 году его избрали ректором Львовского университета.
В 1867 Яков Головацкий принял участие во Всероссийской этнографической выставке в составе славянской делегации, на которой произнёс речь о русском национально-культурном единстве и славянском объединении, что в Австро-Венгрии было воспринято как признак притязаний России на славянские земли и демонстрацию австрийскими славянами готовности принять российское подданство. Это стало началом гонений на Головацкого, причём большую роль в них играл наместник Галиции польский граф Агенор Голуховский. В результате преследований Головацкий был вынужден уехать в Россию и обосновался в Вильне в 1868 году. Устройство Головацкого в Вильне не обошлось без затруднений — новый генерал-губернатор Вильны, А. Л. Потапов возмутился тем, что «Председателем археографической комиссии назначен австрийский эмигрант и униатский каноник Головацкий». Однако впоследствии Потапов изменил своё отношение к Головацкому и стал одним из его покровителей.
7 октября Головацкий сложил с себя духовный сан униатского священнослужителя и со своей семьёй принял православие. Причиной перехода в православие из унии было то, что он «всегда смотрел на неё, как на неестественное и незаконное подчинение православия папизму и давно уже решил со всем своим семейством принять православие». 11 октября его произвели в статские советники и предоставили право на службу и пенсию с 13 декабря 1848 года. В России Головацкий занимался этнографией, историей, географией и лингвистикой, издавал статьи и монографии, стал монархистом. С декабря 1867 до мая 1888 работал председателем Виленской археографической комиссии. С 1871 года он являлся председателем временной комиссии по устройству Виленской публичной библиотеки и музея, членом распорядительного комитета Западного отдела Императорского русского географического общества в Вильне а также членом попечительского совета в Виленском округе.
Характеризуя последний период деятельности Я. Головацкого, историки славянских литератур пишут:
Головацкий являлся почётным членом Московского общества и древностей российских, действительным членом Московского археологического общества, членом Императорского русского географического общества, Общества любителей российской словесности, а также Общества естествознания антропологии и этнографии в Москве. Он был удостоен степени доктора русской словесности Новороссийского универсиэтногтета, чина действительного статского советника, орденов Св. Станислава I ст. и Св. Анны I ст., золотой медали Императорского русского географического общества, серебряной медали Общества любителей антропологии и этнографии в Москве, золотой Уваровской медали и премии в 500 рублей, а также Высочайшей благодарности и золотого перстня с рубином и бриллиантами от Императора.
Яков Федорович получил воспаление лёгких на Пасху 1888 года и скоропостижно скончался 1 (13) мая. Похоронен он был на православном Евфросиниевском кладбище в Вильне, при том попрощаться с ним пришло почти всё русское населения Вильны, в том числе важные государственные сановники.
В России Головацкий написал несколько исторических исследований, посвящённых истории родного края:
Главным трудом Я. Головацкого, сохранившим до сих пор научную ценность, является собрание и издание «Народных песен Галицкой и Угорской Руси», которые печатались в «Чтениях общества истории и древностей» в 1860-х годах. В 1878 году они вышли отдельным изданием в четырёх томах с географической картой и рисунками народной одежды и типов.