В начале 1817 года опять назначен он был в путешествие вокруг света на шлюпе «Камчатка», который долженствовал под его командою отправиться в Северный Великий океан с разными поручениями и к российским владениям, при оном лежащим. В сие время Головнин был сговорен на дочери тверского помещика девице Авдотье Степановне Лутковской, которая получила воспитание свое в Петербурге и жила в доме у родного своего дяди. Он мог бы и отказаться от сего путешествия, но такой поступок казался ему слишком низким и непростительным. Невеста его желала, чтобы он, женившись, взял ее с собою, но как ему хорошо были известны опасность и все трудности морских долгих путешествий, то на сие предложение он не согласился, а решился отложить брак до возвращения. Положение, в каком они находились во время их разлуки, продолжавшейся более двух лет, лучше можно себе представить, нежели описать.
Головнин отправился из Кронштадта августа 26 [-го] 1817 года, а возвратился в сентябре 1819 года, исполнив все возложенные на него поручения. За сие октября 13-го того же года всемилостивейше пожалован в чин капитана 1-го ранга, а 15 октября вступил в брак, от которого прежде мог отвлечь его на некоторое время один только строгий долг службы. Из сего путешествия Головнина отрывки были напечатаны в «Сыне Отечества», а полное сочинение, по воле высшего начальства, издано им на иждивении Государственного Адмиралтейского департамента в 1822 году.