Происходит из дворянско-купеческой семьи, по линии отца – двоюродная правнучка Н.Н.Гончаровой, жены А.С.Пушкина. Училась в Московском училище живописи, ваяния и зодчества с 1901 в качестве вольнослушателя на скульптурном отделении у П.П.Трубецкого и С.М.Волнухина. Живописи училась у К.А.Коровина (до 1909), в дальнейшем формировалась под влиянием М.Ф.Ларионова, впоследствии стала его женой. Организатор совместно с Ларионовым и участница выставок "Бубновый валет" (1910), "Ослиный хвост" (1912), "Мишень" (1914), "№ 4". Принимала участие в выставках объединений "Мира искусства", "Союз молодежи", "Московский салон", "Синий всадник" (Мюнхен–Хельсинки), а также футуристов в Риме, постимпрессионистов в Лондоне, галереи "Штурм" в Берлине. С 1915 года вместе с Ларионовым работала в Париже, где оформляла спектакли в антрепризе С.П.Дягилева, в том числе "Золотой петушок" (1914) и "Свадебка" (1923). В 1930–1940-х работала в различных театрах Европы и Америки. Гончарова – крупнейший художник русского авангарда, основоположник направления неопримитивизм.