Natalia Goncharova ha studiato scultura a Mosca, ma ha lavorato come pittrice e designer. È stata ispirata sia da un interesse per l'arte popolare russa, sia dal modernismo nell'arte. Con il suo compagno di una vita Mikhail Larionov sviluppò uno stile chiamato Rayonismo. Fanno parte dell'avanguardia russa pre-rivoluzione. Aiutarono a organizzare la cosiddetta mostra "Coda d'asino" del 1912, e mostrarono il loro lavoro alla mostra Der Blaue Reiter a Monaco di Baviera lo stesso anno.
La Goncharova divenne famosa in Russia per le sue opere futuriste come Il ciclista e le sue successive opere raioniste. Hanno organizzato serate di conferenze e la Goncharova ha scritto e illustrato un libro in stile futurista.
Nel 1913, cominciò a disegnare costumi e scenografie per i Ballets Russes di Diaghilev e altrove. Fece la scenografia e i costumi per questi balletti: Le Coq d'Or' (1914), The Liturgy (1915), Ygrushka (1921) Reynard (con suo marito; 1922), Les Noces (1923), Une nuit sur le mont chauve (1924), The Firebird (1926 revival), Sur le Borsythène (con suo marito; 1932), Cendrillon (1938), Bogatyri (1938) e la produzione Sadler's Wells del 1954 di Firebird.
La Goncharova si trasferì a Parigi nel 1921, dove espose regolarmente la sua arte. Divenne cittadina francese nel 1939. Sposò finalmente Larionov nel 1955 e morì a Parigi nel 1962.
Le più grandi collezioni delle sue opere si trovano al Centro Pompidou di Parigi, al Museo Russo di San Pietroburgo e alla Galleria Statale Tretyakov di Mosca.
