Совместно с Петром I он написал инструкцию для обучения новобранцев, а незадолго перед объявлением войны Швеции возглавил самое большое «генеральство» — корпус в составе десяти пехотных и одного драгунского полков, общей численностью 14 726 «новоприборных» солдат. Всего формировалось три «генеральства» — Автонома Головина, Адама Вейде и Аникиты Репнина. С началом боевых действий эти войска предполагалось отправить в Прибалтику. Однако вошедшие в поговорки знаменитые российские «авось» и «небось» сорвали многомесячную подготовку к нападению. В результате предназначенные для операции части подходили на арену борьбы в течение всей осени, но в решающий момент так и не успели в полном составе собраться к месту главного сражения.
Война Стокгольму Москвой была объявлена 30 августа, а основные силы во главе с царем начали прибывать к цели первого похода — крепости Нарва — только 4 октября. Спустя еще девять суток туда же подошло «генеральство» Вейде. И лишь затем по частям (в период с 25 октября по 5 ноября) стал подтягиваться корпус Головина.
В роковой день 30 ноября, когда состоялась катастрофическая для царской армии битва с подоспевшим на выручку к своей пограничной цитадели Карлом XII, полки Автонома Михайловича занимали правый фланг и центр русской позиции. В те полные драматизма часы кажется все, включая саму судьбу, ополчилось против петровского войска.
Главный удар шведов пришелся как раз по левому флангу корпуса Головина. Его необученные новобранцы почти сразу же впали в панику и побежали, после чего он уже никем реально не командовал до самой капитуляции. Остаток боя генерал провел под защитой продолжавших сопротивление гвардейских полков, где собралось большинство российских генералов. Ночью там и состоялся их последний военный совет, на котором решили просить короля о перемирии и стараться выговорить у него «приличные» условия сдачи.
Отчасти это удалось. Шведы не имели продовольствия даже для удовлетворения собственных нужд и потому не стремились взять в плен всю русскую армию, которую к тому же больше не считали опасной силой. Поэтому скандинавы оставили у себя только старших офицеров и генералов, а остальных, кто не успел попасть в плен во время боя, отпустили восвояси.
Весной большинство пленников перевезли на территорию Скандинавского полуострова. Среди них оказался и Головин, которому в качестве места пребывания определили Стокгольм. Там он и прожил все долгие годы неволи при достаточно либеральном режиме содержания. Впрочем, тогда рыцарское обращение с титулованной добычей являлось общепринятой нормой. Если она, конечно, вела себя спокойно — чинно дожидалась, когда ее выкупят или обменяют, а не пыталась бежать.
В течение первого военного десятилетия Петр I вызволил многих иностранцев, попавших в шведские руки у Нарвы, возвратив под свои знамена практически всех известных людей — Людвига Галларта, Александра Гордона, Адама Вейде, Пьера Лефорта и еще ряд других, в чьем достаточно высоком профессионализме он, видимо, не сомневался. Но вот с природными русскими дело обстояло иначе. Всерьез об их освобождении из плена переговоры начались только после Полтавы и успехов 1710 г., когда в Москве также скопилось много живых «трофеев».
В итоге было достигнуто соглашение, по условиям которого Петр отпускал фельдмаршала Реншёльда и премьер-министра графа Пипера за четырех человек: царевича Имеретинского, князей Долгорукого и Трубецкого, а также Автонома Михайловича. Но в результате смерти первого и бегства второго договор сорвался. И Головин прождал еще более семи лет, пока, наконец, царь опять не снизил цену за Реншёльда, согласившись менять его в пропорции один к двум. В это число вместе с князем Трубецким попал и двоюродный брат первого петровского премьер-министра.
По возвращении в Россию близкого друга молодости Петр рассентиментальничался и за долгое терпение осыпал его такими наградами, какие многие боевые генералы не могли получить за всю свою службу. Таким образом, Автоном Михайлович стал генерал-аншефом и кавалером ордена святого Андрея Первозванного. Однако в том, что касалось военных дел, царь продолжал оставаться твердым реалистом. Поэтому в Северной войне Головин больше не участвовал.
Впрочем, в данном случае он оказался не одинок. Похоже сложилась боевая карьера еще одного генерала, только что упомянутого в рассказе о соглашениях по обмену пленниками.