Наталья родилась в Тульской губернии. Сначала она училась в местной гимназии, а вот с 1899 и по 1902 гг. Наталья училась в Московском училище живописи, ваяния и зодчества на скульптурном отделении у П. Трубецкого, а потом в классе живописи. По прямой линии Наталья Гончарова происходила от семьи другой Натальи Гончаровой – жены Александра Пушкина.
В начале двадцатого века Наталья принимала активное участие в организации выставок российских футуристов. Футуризмом называют течения, которые возникли в Италии, России и других странах в 1910-20 годы, главной идеей футуризма было «создание будущего». Футуристы пытались эстетизировать урбанизацию и не применяли никаких «архаичных» приемов и никаких фольклорных мотивов. Наталья Гончарова же просто пыталась сохранить естественность, живость и простодушие на своих полотнах. Ей хотелось, чтобы художники не просто «следовали традиции», а жили в ней.
Особенно интересными являются литографические иллюстрации, которые были сделаны Гончаровой для сборников футуристов. В 1912 году Гончарова проиллюстрировала сборник «Игра в Аду», а потом и сборник «Мирконца». Наталья была одной из немногих европейских художниц, которые в 20 веке занимались коллажем и оформлением книги. Иногда Наталья выступала соавтором. Гончарова нарисовала иллюстрации для этой книги. На семь страниц стихов приходилось 14 страниц ее рисунков.
Весьма оригинальными были и выполненные художницей театральные декорации. Она оформляла спектакли «Жар-птица», «Золотой петушок». Кстати, Наталья Гончарова познакомилась с художником Михаилов Ларионовым в 1890 году. Эта пара была уникальным случаем в мире искусства. Оба художники, оба неутомимые экспериментаторы и открыватель нового. Вместе Михаил и Наталья проработали 60 лет! В 1915 году они переехали в Париж. Там художники жили бедно, но к ним часто приходили друзья.
В свое время Сергей Дягилев называл Наталью «наиболее мечтательным и авангардным художником в России». Художница умерла в 1962 году. Пожалуй, точнее всех ее характер определила Марина Цветаева, она посвятила художнице целое эссе: «Вся Гончарова в двух словах: дар и труд. Дар труда. Труд дара».