Происходила из знатного дворянского рода, двоюродная правнучка жены А.С. Пушкина Н.Н. Гончаровой. В 1901 поступила в МУЖВЗ, занималась сначала в скульптурном классе у С.М. Волнухина и П.П. Трубецкого, затем - в живописной мастерской у К.А. Коровина. В 1904 получила малую серебряную медаль за анималистические этюды из глины, в том же году из-за слабого здоровья оставила учебу. В МУЖВЗ познакомилась с М.Ф. Ларионовым, за которого вскоре вышла замуж. В 1903 вместе с Ларионовым совершила поездку в Крым, которая дала начало импрессионистическому периоду творчества художницы. Выполненные в Крыму акварели экспонировала на выставках МУЖВЗ, Московского литературного кружка (1904), Московского товарищества художников (1905), в русском отделе парижского Осеннего салона (1906). В своем творчестве второй половины 1900-х — начале 1910-х стремилась органично соединить традиции лубка, вывески, иконы с новейшими авангардными веяниями. В 1911 на смену примитиву пришел футуризм. Иллюстрировала сборники футуристов («Садок судей - 2»; 1913), произведения А.Е. Крученых и В.В. Хлебникова («Старинная любовь», «Мирсконца», «Игра в аду», «Взорваль»; 1912–1913), К.А. Большакова (Le Futur, «Сердце в перчатке»; оба - 1913), С.П. Боброва («Вертоградари над лозами»; 1913). Издала литографированный альбом «Мистические образы войны» (1914). Вместе с Ларионовым занималась разработкой программы лучизма. Была одним из организаторов эпатажных выставок «Бубновый валет» (1910/1911), «Ослиный хвост» (1912), «Мишень» (1913), «№ 4. Футуристы. Лучисты. Примитив» (1914). Принимала участие в групповых авангардных выставках: «Стефанос» в Москве (1907–1908), «Звено» в Киеве (1908), «Салон В.А. Издебского» (1909/1910, 1911), «Союз молодежи» (1910) в Петербурге, «Голубой всадник» в Мюнхене (1912), «Буря» в Берлине (1912). Экспонировала свои произведения на выставках «Мира искусства» (1911–1913), с 1916 — член объединения. Провела персональные выставки в Москве (1911, 1913), Петербурге (1914). С 1909 работала как художник театра (спектакль «Свадьба Зобеиды» Г. Гофмансталя в частной студии К. Крафта в Москве). Оформила балет «Золотой петушок» Н.А. Римского-Корсакова для антрепризы С.П. Дягилева в Париже (1913), спектакль «Веер» К. Гольдони для Камерного театра в Москве (1915). В 1911–1915 активно занималась также прикладным искусством — создавала панно, скульптуры, декоративные фризы для частных московских особняков. С 1918 поселилась в Париже. Для дягилевской антрепризы создала оформление балетов «Русские сказки» А.К. Лядова, «Испания» М. Равеля, «Триана» Д`Альбени, «Шарф Коломбины» Г. Гофмансталя, «Ночь на Лысой горе» М.П. Мусоргского, «Свадебка», «Жар-птица» И.Ф. Стравинского. За рубежом продолжала активно заниматься станковой живописью и графикой. Издала альбом пошуаров «Театральный портреты» (1915–1916). Экспонировала свои работы в Осеннем салоне, салоне Независимых и Тюильри. Принимала участие в выставках русского искусства за рубежом, международных выставках в Риме (1923), Дрездене (1926), Бордо (1927). Провела персональные выставки в Риме (1918), Париже (1918–1920, 1926, 1931, 1939, 1948, 1952, 1956, 1958), Нью-Йорке (1923), Лондоне (1926), Милане и Бале (1961). В 1961 в Лондоне и 1963 в Париже состоялись большие ретроспективные выставки творчества Гончаровой и Ларионова. Мемориальные выставки произведений Гончаровой прошли во многих городах Европы. В 1968 выставка пастелей художницы состоялась в ГМИИ им. А.С. Пушкина. Произведения Гончаровой находятся во многих музейных собраниях, в том числе в Государственной Третьяковской галерее, Государственном Русском музее, ГМИИ им. А.С. Пушкина, Государственном центральном театральном музее им. А.А. Бахрушина, Центре Жоржа Помпиду в Париже и других.