Родилась в усадьбе Ладыжино своего отца – архитектора Сергея Михайловича Гончарова и Екатерины Ильиничны Беляевой, дочери профессора Московской духовной академии. Она была правнучатой племянницей Н.Н. Гончаровой-Пушкиной-Ланской.
В 1891 году семья переезжает в Москву.
В 1898 году Наталья Гончарова закончила Четвертую женскую гимназию с серебряной медалью.
В 1900 году она поступила на медицинские курсы, но бросила их через три дня, далее полгода училась на историческом факультете Высших женских курсов. В этом же году познакомилась со своим будущим супругом Михаилом Ларионовым.
В 1901 году она поступила вольнослушателем в Московское училище живописи, ваяния и зодчества, в класс скульптора-импрессиониста П.П. Трубецкого, потом занялась живописью под руководством К.А. Коровина. И училась там до 1909 года, когда она перестала платить за обучение и ее оттуда отчислили.
В 1903 году ее картины приобретают коллекционеры А.И. Морозов и Н.П. Рябушинский. Из-за болезни она прерывает занятия в МУЖВЗ и возвращается туда в 1904 году.
В 1904 году Наталья Гончарова получила малую серебряную медаль за анималистические скульптурные этюды.
В 1905 и в 1907 годах принимала участие в выставках Московского товарищества художников.
В 1906 году состоялась ее первая выставка за границей. В этот период Наталья Гончарова начала писать в стиле примитивизма, следуя тематике крестьянского искусства. Она написала картины «Мать», «Хоровод», «Уборка хлеба», «Евангелисты».
И Сергей Дягилев предложил ей участие в Осеннем салоне в Париже.
В 1907 году Наталья Гончарова была награждена серебряной медалью за скульптуру и в этом же году участвовала в выставке «Стефанос».
В1908-1909 годах она выставилась в салонах журнала «Золотое руно» в Москве. И в этом году начала жить в доме, построенном ее отцом в Трехпрудном переулке, 2а.
В 1909 году сделала эскизы декораций и костюмов для постановки «Свадьбы Зобеиды» Гуго фон Гофмансталя в частной театральной студии Константина Крахта. Параллельно создала несколько рисунков обоев и украшала интерьеры особняков.
В 1910 году она организовывала и участвовала в выставках «Бубнового валета».
24 марта 1910 года Наталья Гончарова сделала свою первую персональную выставку из 22 картин в литературно-художественном кружке Общества свободной эстетики. Выставка длилась один день – картина «Натурщица (на синем фоне)» послужила поводом к обвинению художника в порнографии и конфискована. Состоялся суд, на котором художница была оправдана. На судебном процессе ее защищал адвокат М.Ф. Ходасевич.
В 1912 году она вместе с М.Ф. Ларионовым создала объединение «Ослиный хвост» и организовала выставку. В этом же году приняла участие в выставке футуристов в Риме и постимпрессионистов Лондоне.
В 1912 году Наталья Гончарова начала иллюстрировать книги футуристов. В этом году были оформлены книги «Мирсконца», «Игра в аду» А.Крученых и В. Хлебникова.
В 1913 году она оформила книги «Взорваль», «Две поэмы. Пустынники. Пустынница» А.Крученых, сборник «Садок судей» № 2 и литографированные открытки со своими рисунками. В этом же году она участвовала в Первом немецком осеннем салоне в Берлине.
В 1914 году Наталья Гончарова возвращается в Россию и создает литографическую серию «Мистические образы войны» — большие литографии на патриотическую тему. Персональная выставка, демонстрируемая в петербургском «Художественном бюро» Надежды Добычиной, была закрыта – 22 картины были арестованы по санкции обер-прокурора Синода, несмотря на допуск духовного цензора к публичной демонстрации. Перед арестом была критическая статья, обличающая использование авангардистских техник в изображении религиозных сюжетов. В этом же году Наталья Гончарова оформила постановку «Золотого петушка» Н.А. Римского-Корсакова по заказу С.П. Дягилева.
В 1915 году Сергей Дягилев пригласил ее с мужем для работы в «Русских сезонах» в Париже, где они остаются до конца жизни.
В этом же году Наталья Гончарова и Михаил Ларионов устраивают персональную выставку в парижской галерее Поля Гийома, ставшую успешной.
В 1921 году Наталья Гончарова оформила издание книги «Сказка о царе Салтане» А.С. Пушкина.
В 1923 году сделала оформление и иллюстрации для «Слова о полку Игореве».
Наталья Гончарова скончалась в Париже 17 октября 1962 года.
