Едва начавшись, столичная жизнь маленького школьника была прервана войной. Осенью 1941 года семья эвакуируется в Омск и только летом 1943 года возвращается в Москву. В 1950 году Ярослав заканчивает школу. К удивлению родителей он не хочет поступать ни на операторский факультет Всесоюзного института кинематографии, как ему советует отец, ни в Московский архитектурный институт, как рекомендует мать, а подает документы на открытый незадолго до этого секретный ракетный факультет Московского высшего технического училища им. Баумана. Объясняя это решение, Ярослав говорил, что стремление заниматься ракетной техникой возникло в Омске в 1942 году, когда он прочел роман Алексея Толстого «Аэлита», который произвел на него огромное впечатление. В студенческие годы Ярослав работает очень много: лекции в МВТУ читаются по десяткам дисциплин, а количество зачетов и экзаменов приближается к сотне. Выпускники МВТУ тех лет должны были работать на всех металлообрабатывающих станках, освоить все виды сварки и литейное производство, не считая производственной практики, которую Голованов проходил на заводе в Днепропетровске, накануне назначения туда выдающегося конструктора ракет М. К. Янгеля. В Гороховецких военных лагерях приобретает опыт стрельбы из гвардейских минометов («катюш»).
Дипломную работу (расчёт ЖРД — жидкостного ракетного двигателя с тягой 100 тонн) Я. К. Голованов выполняет под руководством будущего члена-корреспондента АН СССР А. П. Ваничева в лаборатории № 8 НИИ-1 Министерства авиационной промышленности, но при распределении, неожиданно для него направляется в другую лабораторию, которой руководит будущий академик Г. И. Петров. В определенной мере Голованов переживает кризисную ситуацию: срочно надо коренным образом переучиваться с теплотехника на аэродинамика, да и вообще он начинает понимать, что занимается не совсем своим делом. И хотя он всю жизнь гордился двумя секретными отчетами, которые написал в 1956–1957 годах, он чувствует, что призвание его в другом.
В ноябре 1957 года он делает попытку сотрудничества с отделом науки газеты «Комсомольская правда», которым в те годы руководил замечательный журналист и талантливый педагог Михаил Васильевич Хвастунов. Голованов влюблён в газету. Он ухитряется совмещать её с работой в НИИ, и как раз в это время начинается его семейная жизнь: Ярослав женится на выпускнице Физико-технического института. В феврале 1958 года главный редактор «Комсомольской правды» А. И. Аджубей из числа нескольких кандидатов на должность литературного сотрудника отдела науки останавливает свой выбор на Ярославе Голованове. С этого времени вся жизнь Ярослава связана с «Комсомолкой».
Увлеченность газетной работой позволяет Голованову быстро занять одно из ведущих мест среди молодых сотрудников «КП». Весной 1959 года он уговаривает Аджубея направить его в рыболовную экспедицию к берегам Африки. Результатом этой командировки стала не только серия газетных очерков, но и повесть «Заводная обезьяна», опубликованная в журнале «Юность» (1967. № 9) и вышедшая год спустя отдельной книгой под названием «Сувенир из Гибралтара» (М.: Молодая гвардия, 1968). Еще до этого Голованов публикует небольшие научно-популярные книжки: «Штурм бездны» (Географгиз, 1963), «Путешествия в страну урана» (Атомиздат, 1963) и повесть «Кузнецы грома», в которой впервые в нашей литературе появляются новые герои — конструкторы космических кораблей.
Опубликованная в «Юности» (1964. № 1), а затем вышедшая отдельной книгой (М.: Советская Россия, 1964) повесть привлекает внимание Главного конструктора космонавтики Сергея Павловича Королёва, который предлагает Ярославу самому слетать в космос. В июле — августе 1965 года Голованов проходит все проверки в Институте медико-биологических проблем, но смерть Королева перечеркивает все планы журналиста. (В январе — феврале 1990 года Ярослав повторяет попытку стать первым журналистом в космосе, но его бракуют по здоровью, а первым журналистом становится 47-летний японец Тоёхиро Акияма.) Повесть «Кузнецы грома» открывает Голованову путь в Союз писателей СССР, куда его принимают по рекомендации Бориса Полевого и Василия Аксёнова в феврале 1966 года.