В 1806 году возвратились в Кронштадт, завершив первое русское плавание вокруг света, Крузенштерн и Лисянский. Почин был сделан. И морское министерство России решило отправить в подобное же плавание еще один корабль. В 1806 году в чине лейтенанта М.И. Головнин был назначен командиром шлюпа «Диана». «Диана» была обычным транспортом-лесовозом, который под руководством В.М. Головнина перестроили на Олонецкой верфи в шлюп – небольшой трехмачтовый парусный корабль. В истории русского флота не отмечено другого такого факта, чтобы лейтенанту доверили командование кораблем. В истории русского флота имя Василия Михайловича Головнина занимает одно из самых почетных мест. Замечательные плавания, дважды совершенные В.М. Головниным по волнам трех океанов на военных шлюпах «Диана» (1807—1809) и «Камчатка» (1817—1819), доставили ему заслуженную славу отважного мореплавателя. События, сопутствовавшие плаванию на «Диане», – пленение корабля англичанами на мысе Доброй Надежды и блестяще осуществленный уход «Дианы» буквально из-под носа англичан – прогремели в свое время на весь мир. Несмотря на то что «Диана» имела специальное разрешение английского правительства, командующий английской эскадрой вице-адмирал Барти, объявив В.М. Головнину о войне, начавшейся между Россией и Англией, задержал русский корабль до получения соответствующего распоряжения из Англии. 16 мая 1809 года, более года проведя в плену, Головнин на «Диане» предпринял побег. Корабль успешно вышел из бухты на глазах нескольких английских кораблей и благополучно прибыл на Камчатку.
Два года спустя, по окончании этого плавания, в жизни В.М. Головнина происходят новые события, еще более упрочившие его мировую известность. В 1811 году на В.М. Головнина было возложено поручение описать Курильские и Шантарские острова и берег Татарского пролива в Тихом океане. Результаты этих трудов он также напечатал в 1819 году. При описи Курильских островов, когда «Диана» бросила якорь у острова Кунашир для пополнения запасов провианта и пресной воды, Головнин был обвинен в преступлении принципов сакоку (строгие законы закрытой страны) и захвачен японцами в плен вместе с мичманом Муром, штурманским помощником Андреем Ильичом Хлебниковым и 4 матросами. Плен продолжался более двух лет. Головнин и его спутники были освобождены из плена. В октябре 1813 года Головнин вновь поднялся на борт «Дианы». В 1817—1819 годах В.М. Головнин совершил новое кругосветное путешествие, описанное им в 1822 году. На этот раз для путешествия был специально построен военный шлюп «Камчатка».
Головнин был великолепным моряком и учителем, создавшим замечательную «головнинскую» школу. Своим учителем считали его такие выдающиеся русские моряки-ученые, как Литке, Врангель, Матюшкин, Анжу, Рикорд и другие. Огромные заслуги принадлежат В.М. Головнину и в деле развития и укрепления могущества русского флота. В 1821 году в чине капитан-командора Головнин был назначен помощником директора Морского корпуса. В 1823 году он стал генерал-интендантом флота, а в 1827 году получил в свое ведение департаменты: кораблестроительный, комиссариатский и артиллерийский. За время 8-летнего управления Головниным интендантской частью на флоте (1823—1831) было построено 26 линейных кораблей, 21 фрегат, 2 шлюпа и многих других мелких судов общим количеством свыше 200, в том числе десять первых в России пароходов.
В нелегких условиях протекала деятельность Головнина в морском ведомстве. Очень часто его начинания наталкивались на тупое сопротивление косных и ограниченных царских чиновников. В морском ведомстве процветали взяточничество, казнокрадство, бюрократизм. Все это вызывало глубокое возмущение Головнина – честного и неподкупного человека. Его переживания вылились в гневное, обличительное произведение – «Записка о состоянии Российского флота в 1824 году». Новый генерал-интендант Василий Михайлович Головнин сознавал свою ответственность за судьбу русского флота. Он принялся за дело с жаром. И сразу же началось единоборство с адмиралтейскими старцами, консерваторами и рутинерами, с чиновниками-казнокрадами, с прожорливыми китами-подрядчиками. Головнин раскрывает жалкую картину гибели живого дела в бесконечных потоках официальных бумаг, в страшных дебрях канцелярий и департаментов. Все это творилось на виду у правительства, на виду у двора. Язвительные и злые характеристики дал Головнин руководителям тогдашнего флота. Тут и умом недалекий граф Кушелев, и слепо преданный всему «аглицкому», капризный и своенравный Чичагов, хитрый и льстивый придворный маркиз де Траверсе, и, наконец, фон Миллер – вопиющая бездарность и глупость.