Тогда же (июль 1857 года) Головнин предпринял попытку освободить собственных крестьян в Гулынках. Однако крестьяне отказались от предлагаемой барином свободы, объяснив ему свои мотивы: «Когда ты от нас совсем отступишься, нас всякий теснить будет, а мы твоею милостью много довольны». Этот эпизод Головнин описал в записке для Секретного комитета. Он совсем не подчеркивал, что его вотчина не совсем типичный для крепостнической России уголок социального мира, где крестьяне не знали притеснений со стороны помещика. Гулынская картинка понадобилась ему для других целей. Головнин убеждал высшую администрацию в том, что слухи о свободе не произвели никаких беспорядков и «не внушили гулынским крестьянам желания выйти из-под власти помещика». «Не доказывает ли это, – спрашивал Головнин, – что крайне преувеличены опасения последствий, которые могут произойти от печатания в официальных журналах наших статей о способах освобождения крестьян от крепостного права?» Отсюда следовала мысль о пользе привлечения журналистики для гласного обсуждения крестьянского вопроса, остававшегося тогда еще строго секретным. Кроме того, поддержка реформы прессой, в которой Головнин не сомневался, помогла бы ослабить голоса ее противников в окружении императора.
В июне 1860 года Головнин повторил путешествие по Центральной России. Теперь он пошел «в народ» по прямому поручению Константина Николаевича в момент завершения крестьянской реформы. Обоих интересовало мнение крестьян о заключительном проекте, подготовленном Редакционными комиссиями Главного комитета. Прогнозы Головнина были пессимистичны. «Неизгладимо грустное впечатление» произвело на него дворянство, которое действовало, «заботясь только о своей сегодняшней материальной выгоде и не произнося слова в пользу и в защиту» крестьян. Головнин составил из отзывов крестьян специальную записку для Главного комитета. Он не скрывал недовольства крестьян многоступенчатой системой управления, специально для них созданной, сохранением монополизма общины, временнообязанным состоянием, высокими оброками и другим. Все это, по его мнению, уводило реформу от ее истинной цели погасить взаимное нерасположение, вражду обоих сословий или, по крайней мере, достигнуть того, «чтоб они были равнодушны одно к другому».
Тем не менее Головнин воспринял Манифест 19 февраля 1861 года как великое событие и сразу же применил новый закон в Гулынках. К тому времени за ним числилось 213 душ. В 1861 году он подписал уставную грамоту, по которой крестьяне должны были выкупаться по требованию помещика. Такой порядок исключал длительное временнообязанное состояние и обеспечивал крестьянам двадцатипроцентную уступку выкупной суммы. В 1864 году Головнин получил выкупное свидетельство и стал «соседом» своих бывших крепостных, как теперь уже свободных поземельных собственников. Причем крестьяне получили высший для той местности размер полевого надела и некоторое время, до погашения 80 процентов его стоимости, платили в казну свой прежний небольшой оброк.
Построив таким образом отношения с гулынскими крестьянами, Головнин продолжал интересоваться их жизнью. Социальный эксперимент в Гулынках продолжался. На свои сбережения он построил там каменную церковь, начальное училище для мальчиков, каменный дом с двумя квартирами для учителей. В училище была устроена метеорологическая станция, кабинет физики, две библиотеки. Одна из них, в 5000 томов, была открыта для всех. Позднее, в 1870 году, появилось училище для девочек в деревянном доме.
Церковь Святой Троицы была сооружена специально приглашенным рязанским архитектором А. Щеткиным в память 19 февраля 1861 года. Храм, по мысли Головнина, должен был стать для прихожан школой христианской нравственности, чтобы, приходя к нему, они «почерпали правила нравственности, узнавали сущность учения Христианства». Этой же цели служила и церковная библиотека. В ее каталоге, опубликованном в качестве приложения к брошюре «Заметки о двух церквах Рязанской Губернии Пронского уезда при селе Гулынках», указано 771 наименование книг. Здесь встречаются труды по истории христианства и христианской философии, этике, «Энциклопедический словарь, составленный русскими учеными и литераторами» (1861), «Сборник исторических повестей» (1863) и другие книги. Приобщая крестьян к серьезному чтению, Головнин бесплатно раздавал им книги духовно-нравственного содержания. Его стараниями в каждой семье был экземпляр Евангелия. С благодарностью принимали крестьяне и другой его подарок – перламутровые кресты, привезенные им из Иерусалима.