Najprościej ujmując zasadę ich działania, są pewnym rodzajem elektromagnesu przetwarzającego sygnały elektryczne na magnetyczne i odwrotnie. Jest to technologia zbliżona do tej jaką wykorzystuje się w przypadku tradycyjnego magnetofonu taśmowego. Jedna z różnic jest taka, że głowice nie powinny dotykać powierzchni magnetycznej talerzy. Pomiędzy nimi musi być  „poduszka powietrzna” o bardzo małej wartości 0,5 mikrocala. 

Zastosowanie dużej gęstości zapisu oraz coraz większej prędkości RPM nie byłoby możliwe bez rozwoju technologii głowic. Głowice starej generacji wykorzystywały dwa podstawowe prawa sił elektromagnetycznych. Pierwsza zasada miała zastosowanie przy zapisywaniu danych na dysku i wykorzystywała regułę mówiącą o tym, iż przepuszczając poprzez rdzeń magnetyczny prąd wytwarza się pole magnetyczne. Druga zasada była wykorzystywana przy odczytywaniu informacji poprzednio zapisanych na dysku. Mówi o tym, że umieszenie rdzenia magnetycznego w polu magnetycznym spowoduje wytworzenie prądu. 

Głowice nowej generacji odczytują dane w zupełnie inny sposób. Wykorzystuje się właściwości niektórych materiałów, które zmieniają swoją rezystancję w obecności pola magnetycznego.  

Technologia produkcji głowic jest rozwijana od kilkunastu lat. Głównym założeniem jest uzyskanie głowic jak najbardziej czułych o jak najmniejszych rozmiarach. Tylko takie będą w stanie odczytać słabe pole magnetyczne oraz właściwe ścieżki na talerzach. Słabe pole magnetyczne ma zmniejszać możliwość interferencji pomiędzy polami magnetycznymi, czyli zła interpretację danych zapisanych na nośniku. 

Liczba głowic  

Każdy talerz ma dwie powierzchnie przeznaczone na zapis danych użytkownika. Na jedną powierzchnię roboczą przypada jedna głowica. Zakładając, iż dysk posiada 2 talerze powinien posiadać 4 głowice, aczkolwiek nie jest to regułą.

W wybranym fragmencie czasu zapisywać albo odczytywać dane z dysku może tylko jedna głowica.  

Głowice ferrytowe 

To całkowita przeszłość. Stosowane w dyskach do pojemności 50 MB. Były „bardzo” duże, musiały poruszać się stosunkowo wysoko nad talerzami, a co za tym idzie wytwarzały mocne pole magnetyczne. Całkowicie uniemożliwiały zapis o dużej gęstości. Metoda ich działania była bardzo prosta. Głowica była zbudowana z metalowego rdzenia w kształcie litery U owiniętego uzwojeniem. Zapis odbywał się poprzez przepływ prądu, który wytwarzał pole magnetyczne między biegunami magnesu, które to namagnesowywało powierzchnię nad którą znajdowała się głowica. Przy zmianie kierunku prądu wytwarzało się pole magnetyczne o przeciwnej polaryzacji. Przy odczytywaniu proces przebiegał w odwrotnym kierunku.

Głowice Thin Film 

Stosowane w dyskach z późnych lat 80 i 90 o pojemności od 100 do 1000 MB. Całkowicie nowy proces produkcji pozwolił na zwiększenie gęstości zapisu. Stare, duże głowice zostały zastąpione mniejszymi. Zbudowane były z płytki półprzewodnikowej pokrytej bardzo cień warstwą stopu metalu. Technologia produkcji oparta była o proces fotolitograficzny. 

Głowice MR 

Montowano je w dyskach o pojemności od 1 do 30GB. Ich pojawienie się to koniec lat 90. Stanowiły prawdziwy przełom w budowie dysków twardych, ponieważ zapisywane sygnały mogły reprezentować słabsze pole magnetyczne. Dzięki tym głowicom przekroczono magiczną barierę 1 GB pojemności dysku. Miały one zupełnie odmienną konstrukcję aniżeli omawiane powyżej typy głowic. Przy odczytywaniu danych z dysku zaprzestano wykorzystywać zasady indukcji prądu w uzwojeniu pod wpływem pola magnetycznego. Głowica MR zbudowana jest ze specjalnego przewodzącego materiału, który zmienia rezystancję pod wpływem pola magnetycznego. I tak, poruszając się nad powierzchnią magnetyczną głowica zmieniała swoją rezystancje, a zmiany te były rejestrowane przez sensor i odpowiednio interpretowane.