По мнению исследователей, духовная музыка по объёму и значимости является важной частью творчества Н.С. Голованова. Он – автор 64 духовных сочинений (с 1907 по 1952 гг.), составляющих восемь опусов; из них 33 песнопения и восемь переработок ранних сочинений относятся уже к советскому времени. Из всех созданных им 46 опусов бо́льшая часть вокальных: две одноактные оперы, романсы, обработки песен разных народов и другие сочинения. Все духовные произведения Н.С. Голованов писал для хора a cappella (ораторий 1 – для мужского хора, все остальные – для смешанного, преимущественно большого хора). Он не создавал полных богослужебных циклов, но сочинял отдельные песнопения литургии и всенощного бдения в 1910 гг. Oраторий 36 включает, в основном, песнопения на Рождество Христово, ораторий 37 – Великого поста и Страстной седмицы, ораторий 38 имеет авторское название «Из юношеских тетрадей» и состоит из произведений 1900 гг. в поздней редакции. Ораторий 39, написанный, в основном, в годы Великой Отечественной войны, содержит песнопения, обращённые к Богоматери (первые шесть номеров названы Н.С. Головановым сюитой «Всех скорбящих Радосте»), к святителю Николаю, к преподобному Серафиму Саровскому; последние номера опуса были написаны по поводу конкретных событий – юбилея А.В. Неждановой («Великое многолетие»), смерти В.А. Семёнова («Покой, Спасе наш») или в честь особенно почитаемых им людей – Сергея Васильевича Рахманинова («Свете тихий»), митрополита Трифона (Молитва св. мученику Трифону). Исследователи подчёркивают, что Н.С. Голованов развивал ту тенденцию духовной музыки Нового направления, которая вела к значительному расширению музыкальных приёмов (С.В. Рахманинов, Александр Тихонович Гречанинов, П.Г. Чесноков и др.). Они отмечают, что в его песнопениях присутствуют предельные уровни динамики, широкий звуковысотный диапазон, многоуровневая полифоничность (но, как правило, без западных полифонических форм), особая усложнённость фактуры (характерно частое деление голосов на две, три партии) и гармонии (септ- и нонаккорды), расширенная тональность, что современные приёмы объединялись у Н.С. Голованова с приёмами, идущими от старинных пластов русской музыки – церковной и народной. Для его сочинений характерна светлая гамма чувств, передающая благоговейное любование красотой мира и самой музыкой, вслушивание в звучание гармоний. Сочинения Н.С. Голованова, как правило, предназначены для больших и высокопрофессиональных коллективов. Автор ориентировался на звучание московского Синодального хора, с чем связано посвящение многих песнопений корифеям Синодального училища и хора – С.В. Смоленскому, А.Д. Кастальскому, В.С. Орлову, Н.М. Данилину, П.Г. Чеснокову.