Natalia Goncharova nació en Nagaevo, hija de un padre artista; desde pequeña comenzó su formación. A los diez años llegó a Moscú, donde eventualmente comenzó sus estudios formales en el Instituto de Pintura, Escultura y Arquitectura; ahí conoció a quien sería su pareja de toda la vida, el también pintor Mikhail Larionov. Natalia comenzó a exponer y ganar reconocimiento, pero pronto renunció a su prestigioso instituto formativo y formó con otros alumnos que fueron expulsados un colectivo propio y radical, el Sota de diamantes. Ahí, influenciados por el postimpresionismo y expresionismo, comenzaron a avanzar en un lenguaje artístico propio. El arte de Goncharova es una mezcla de cubismo y futurismo, donde tienen espacio además elementos del folclor y de la religión rusa -lo que alguna vez incluso hizo que censuraran uno de sus cuadros por motivos religiosos-.
La primera exposición de la Sota de diamantes vino en 1910, y un poco después Natalia se hizo parte del grupo más radical y extremo del colectivo, que expuso el montaje Cola de burro. Ahí se presentaron cerca de cincuenta pinturas de ella, en 1912, siendo casi siempre la única mujer.
Natalia también colaboró con el grupo avant garde Der Blaue Reiter, donde convivían rusos, como Kandisky, con algunos artistas alemanes. Ahí, Goncharova aportó con el diseño de escenarios para obras y ballet, trabajo que continuó haciendo en 1915 para varios montajes realizados por el famoso productor Sergei Diaghilev.
Goncharova y Larionov se trasladaron a París en en 1921, donde ella eventualmente comenzó a trabajar también en diseño de vestuario; sus vestidos tenían hermosas aplicaciones de bordados, que tomaban la inspiración de sus trabajos con ballet, y su ascendencia rusa. La artista murió en París en 1962.
Desde hace un par de años, se ha convertido en la favorita de coleccionistas -como Madonna-, y sus cuadros Recogiendo manzanas o Jacintos (bluebells), han tenido algunas de las ventas más altas para una artista femenina.