Staffordshire bullterrier Ziggy hittades i fjärran skogsområde nära Wansford i Peterborough på onsdag morgon.
Röntgenbilderna visade att vapnet precis hade missat hans skalle och vitala organ.
RSPCA Insp Justin Stubbs hjälpte en veterinär "långsamt, långsamt dra ut skruven" av den nedsövda hunden. "Det var ett hjärta i munnen ögonblick men Ziggy gör en fantastisk återhämtning," sade han.
Den tvååriga hunden hade blivit avsiktligt skjuten. Det var "ett mycket avsiktligt skott på mycket nära håll", sade RSPCA.
Man tror att Ziggy bara överlevde genom att flytta huvudet "vid rätt tidpunkt".
En undersökning av hans skador visade att Ziggy hade strövat omkring i skogen i några dagar, "skräckt och i fullständig smärta", innan två vandrare fann honom.
Trots att ha en 50cm (20ins) kolfiberbult inbäddad från ena sidan av huvudet till den andra, Ziggy fortfarande viftar med svansen och vill att folk ska göra ett väsen av honom, sade Mr Stubbs.
Men veterinären stod inför uppgiften att ta bort vapnet.
"Den hade missat Ziggys hjärna, öron, ögon och skallben i millimeter, men röntgenbilder visar inte upp större blodkärl", sade Mr Stubbs.
"Det var verkligen ett hjärta i munnen ögonblick och hoppas på det bästa, men vi hade allt på plats om något skulle hända."
När bulten sakta kröp ut, insåg veterinären och en sjuksköterska att den inte hade träffat några blodkärl.
"Jag tror inte att någon tog ett andetag för ungefär en minut. Sedan var det en kollektiv suck av lättnad", sade Alexander Stubbs.
"Den hade precis gått igenom mjuk vävnad och slog inte ens i muskler."
Ziggy blir nu omhändertagen på närliggande kennlar där han sägs göra "en mirakulös återhämtning".
"Han begränsar sig som om ingenting hade hänt", sa Alexander Stubbs.
"Om en hund någonsin hade en skyddsängel, hade Ziggy en den dagen."
RSPCA fortsätter att utreda och har vädjat om information om attacken.
Den känsliga operation för att ta bort en armborst bult inbäddad i en hunds huvud tog "bara en minut", RSPCA sade.