Natalia Gontšarova syntyi vuonna 1881 Negajevossa Tulan läänissä. Hänen isänsä oli huomattava arkkitehti ja matemaatikko Sergei Gontšarov. Vuonna 1891 perhe muutti Moskovaan, missä Natalia Gontšarova aloitti muutamaa vuotta myöhemmin opiskelun Moskovan maalaus-, veisto- ja rakennustaiteen opistossa kuvanveistolinjalla. Vuosisadan vaihteessa hän tutustui Mihail Larionoviin, joka oli opiskelijana samassa taidekoulussa. Larionov innosti Nataliaa maalaustaiteen pariin. Heidän välilleen muodostui elinikäinen suhde. Gontšarova toimi yhdessä Larionovin kanssa perustajajäsenenä merkittävissä venäläisissä avantgardistisissa ja futuristisissa taideryhmissä. He loivat rayonismin nimellä tunnetun tyylisuuntauksen, joka on kubismin, futurismin ja orfismin synteesi ja kuvaa spatiaalisia muotoja, jotka syntyvät esineistä ristikkäin heijastuvista valonsäteistä. Hänen töitään oli esillä Taiteen maailma (Mir iskusstva) -ryhmän näyttelyissä. Hänen varhaisemmille töilleen oli ominaista herkkä lyyrisyys, mikä myöhemmin muuttui uusprimitivismiksi. Natalia Gontšarovaa kiinnostivat venäläisen primitiivisen kansantaiteen “todellisuus, rohkeus ja värikkyys” sekä ikonien aihepiiri. Hänen maalauksissaan ovat esillä niin kukat ja maisemat kuin talonpoikien elämä ja uskonnolliset aiheet. Vuonna 1913 Gontšarova piti suuren yksityisnäyttelyn, jossa olivat esillä hänen tuotantonsa eri suunnat mm. futuristinen Pyöräilijä -maalaus. Hän oli myös lahjakas graafikko, joka teki kirjojen kuvituksia. Vuonna 1914 Gontšarova alkoi suunnitella puvustuksia Sergei Djagilevin perustamalle balettiryhmälle ja hänestä tulikin yksi aikansa tunnetuimmista balettiasujen ja lavasteiden suunnittelijoista. Venäjän vallankumouksen jälkeen Gontšarova muutti Pariisiin, ja 1930-luvun lopulla hän ja Larionov saivat Ranskan kansalaisuuden. Yli 50 vuoden yhteiselon jälkeen Gontšarova ja Larionov menivät naimisiin vuonna 1955. Elämänsä loppupuolella Gontšarova maalasi vielä Sputnik-aluksen innoittamana avaruusaiheisia maalauksia. Natalia Gontšarova kuoli Pariisissa 17. lokakuuta vuonna 1962.