Слушательница Московских высших женских курсов Герье (ныне – МПГУ). Художница, авангардистка. Правнучатая племянница жены Пушкина.

Родилась 4 июня 1881 года. В 1898 году окончила гимназию с серебряной медалью. В 1900 году училась на историческом факультете курсов Герье, затем поступила в Московское училище живописи, ваяния и зодчества, где познакомилась со своим мужем, художником Михаилом Ларионовым.

Принимала участие во всех значительных выставках современного искусства, готовила эскизы декораций и костюмов для театральных постановок, иллюстрировала книги футуристов – Крученого, Хлебникова, Большакова. Совместно с Ларионовым участвовала в выставках «Бубновый валет» (1910), «Ослиный хвост» (1912), «Мишень» (1914), принимала участие в выставках «Мира искусства»(1911—1913), «Московском салоне», выставках футуристов в Риме, постимпрессионистов в Лондоне и др. Крупнейшие персональные выставки 1913-1914 годов состоялись в Москве и в Петербурге, на них были представлены более 700 работ.

В 1914 году была приглашена Дягилевым в Париж для работы над «Золотым петушком». С началом Первой мировой войны возвращается в Россию, выпускает литографическую серию «Мистические образы войны». В июне 1915 года по приглашению Дягилева приезжает во Францию для работы в «Русских сезонах» В Россию художница больше не вернулась.

Автор иллюстраций к «Слову о полку Игореве» и «Сказке о царе Салтане».

Скончалась в Париже в 1962 году.

В 2007 году на торгах в Лондоне картина Гончаровой «Сбор яблок» (1909 год) была продана за 4 миллиона 948 тысяч фунтов стерлингов (почти 10 миллионов долларов). В 2010 году картина Гончаровой «Испанка» (1916 год) была продана за 6 миллионов 425 тысяч 250 фунтов стерлингов или 10 миллионов 216 тысяч 148 долларов США – рекордная цена за работу женщины-художницы за всю историю.

Одна из самых подделываемых художниц – на сегодняшний день известно несколько сотен фальшивых картин Гончаровой.