Леонид Иосифович принимал участие в боях на Воронежском и первом Украинском фронтах. К сентябрю 1943 года лейтенант Леонид Головлёв командовал пулеметной ротой 69-й механизированной бригады 9-го механизированного корпуса 3-й гвардейской танковой армии Воронежского фронта. Во многих боях участвовала пулеметная рота лейтенанта Головлева, но самое большое испытание пулеметчикам пришлось выдержать в ночь с 21 на 22 сентября 1943 года при фарсировании реки Днепр.

   На небольших рыбачьих лодках, бочках из-под горючего, самодельных плотах под яростным обстрелом противника советские воины преодолели водную преграду. Головлев первым выбрался на западный берег и, не задерживаясь ни на минуту, повел своих бойцов на штурм вражеских укреплений. Гитлеровцы не выдержали стремительного натиска и отошли от берега.
     На небольшом плацдарме возле деревень Зарубенцы и Григорьевка пулеметчики отрыли траншеи и стали готовиться к обороне. Они знали, что противник не пожалеет сил, чтобы сбросить советских воинов с плацдарма.
      Спустя некоторое время после ожесточенного обстрела из орудий и минометов на позиции роты двинулись гитлеровские автоматчики.
Они предприняли несколько атак. Но всякий раз, встреченные ливнем пуль, оставляя на поле боя убитых и раненых, фашисты откатывались назад.
      Выбрав момент, Головлев поднял своих бойцов и повел вперед. У высоты 216,8 противник сосредоточил несколько батарей тяжелых орудий, которые шквальным огнем мешали переправе наших подразделений. Склоны высоты были хорошо укреплены. Гитлеровцы простреливали все подступы к своим позициям.
         Головлев приказал вести огонь по амбразурам дзотов противника. Группы наших бойцов с гранатами стали приближаться к вражеским траншеям. Взрывы гранат - и один за другим умолкают фашистские пулеметы. Рота поднялась в атаку и ворвалась на высоту. В ожесточенном рукопашном бою было уничтожено более 150 вражеских солдат и офицеров. Наши бойцы закрепились в их траншеях. Немецко-фашистское командование бросило на горстку смельчаков танки и самоходные орудия. Они двинулись на позиции роты и подошли к самой вершине высоты. Перебегая от одной группы бойцов к другой, лейтенант Головлев находился на решающих участках. Под его руководством гранатами и бутылками с горючей жидкостью пулеметчики подожгли 4 танка и одно самоходное орудие. Меткий огонь нашей артиллерии с восточного берега заставил противника отойти и прекратить атаки.
      Дождавшись подхода подкреплений, наши воины снова стали продвигаться вперед. Леонид Головлев со своей ротой подошел к окраинам населенного пункта Малые Букры. Здесь гитлеровцы оказали отчаянное сопротивление. Десятки пулеметов встретили наших бойцов сильным огнем. Атака захлебнулась. Головлев встал во весь рост и пошел вперед. Вслед за ним поднялась и вся рота. В рукопашной схватке на улицах населенного пункта противник потерял 79 солдат и офицеров и снова оставил свои позиции. За этот подвиг  Л.И.Головлев был награжден орденом Красного знамени

 А бои продолжались. И каждый день воины рисковали своей жизнью22 ноября 1943 года Леонид Иосифович был награжден  орденом Красного знамени:

«6 ноября 1943 года, в бою за село Горянка повел роту в атаку, глубоко вклинился в боевые порядки противника. Но при отсутствии прикрытия флангов и соседей был замкнут в кольцо. 18 часов вел непрерывный бой с превосходящим противников. Отразил 8 контратак противника. Утром на рассвете прорвал кольцо окружения и соединился с основными силами батальона. В этом бою уничтожено 150 немецких солдат. Сам лично из пистолета убил трех немцев, после чего был тяжело ранен.»

Указом Президиума Верховного Совета СССР от 10 января 1944 за «образцовое выполнение заданий командования и проявленные мужество и героизм в боях с немецкими захватчиками» лейтенант Леонид Головлёв был удостоен высокого звания  Героя Советского Союза. Однако медаль Ленина и медаль «Золотая звезда» он получить не успел, так как 25 января 1944 года пропал без вести.

Постановлением СОВЕТА МИНИСТРОВ РСФСР от 19 июля 1965 года №857 Кирилловской восьмилетней школе Рославльского района было присвоено имя ее бывшего ученика Л.И.Головлева.

выдержки из постановления: «Совет Министров постановляет: Принять предложение…Смоленского облисполкома о присвоении имени Героя Советского союза Головлева Леонида Иосифовича Кирилловской восьмилетней школе Рославльского района и впредь именовать ее – Кирилловская восьмилетняя школа имени Л.И.Головлева»