Живописец, график, сценограф, художник декоративно-прикладного искусства.
Происходила из знатного дворянского рода, двоюродная правнучка жены А. С. Пушкина Н. Н. Гончаровой. В 1892 вместе с отцом — архитектором и математиком — переехала в Москву. Окончила гимназию, некоторое время посещала Исторические курсы. В 1901 поступила в МУЖВЗ, занималась сначала в скульптурном классе у С. М. Волнухина и П. П. Трубецкого, затем — в живописной мастерской у К. А. Коровина. В 1904 получила малую серебряную медаль за анималистические этюды из глины, в том же году из-за слабого здоровья оставила учебу.
В МУЖВЗ познакомилась с М. Ф. Ларионовым, за которого вскоре вышла замуж. В 1903 вместе с Ларионовым совершила поездку в Крым, которая дала начало импрессионистическому периоду творчества художницы. Выполненные в Крыму акварели экспонировала на выставках МУЖВЗ, Московского литературного кружка (1904), Московского товарищества художников (1905), в русском отделе парижского Осеннего салона (1906).
В 1906 отошла от импрессионизма и, пройдя через увлечение кубизмом и фовизмом, обратилась к примитиву. В своем творчестве второй половины 1900-х — начале 1910-х стремилась органично соединить традиции лубка, вывески, иконы с новейшими авангардными веяниями.
В 1911 на смену примитиву пришел футуризм. Иллюстрировала сборники футуристов («Садок судей — 2»; 1913), произведения А. Е. Крученых и В. В. Хлебникова («Старинная любовь», «Мирсконца», «Игра в аду», «Взорваль»; 1912–1913), К. А. Большакова (Le Futur, «Сердце в перчатке»; оба — 1913), С. П. Боброва («Вертоградари над лозами»; 1913). Издала литографированный альбом «Мистические образы войны» (1914).
Вместе с Ларионовым занималась разработкой программы лучизма. Была одним из организаторов эпатажных выставок «Бубновый валет» (1910/1911), «Ослиный хвост» (1912), «Мишень» (1913), «№ 4. Футуристы. Лучисты. Примитив» (1914). Принимала участие в групповых авангардных выставках: «Стефанос» в Москве (1907–1908), «Звено» в Киеве (1908), «Салон В. А. Издебского» (1909/1910, 1911), «Союз молодежи» (1910) в Петербурге, «Голубой всадник» в Мюнхене (1912), «Буря» в Берлине (1912). Экспонировала свои произведения на выставках «Мира искусства» (1911–1913), с 1916 — член объединения. Провела персональные выставки в Москве (1911, 1913), Петербурге (1914).
С 1909 работала как художник театра (спектакль «Свадьба Зобеиды» Г. Гофмансталя в частной студии К. Крафта в Москве). Оформила балет «Золотой петушок» Н. А. Римского-Корсакова для антрепризы С. П. Дягилева в Париже (1913), спектакль «Веер» К. Гольдони для Камерного театра в Москве (1915). В 1911–1915 активно занималась также прикладным искусством — создавала панно, скульптуры, декоративные фризы для частных московских особняков.
В 1915 была приглашена Дягилевым работать в качестве художника «Русских сезонов» и покинула Россию. В 1915–1918 жила в Швейцарии, Италии, Испании, Франции, с 1918 поселилась в Париже. Для дягилевской антрепризы создала оформление балетов «Русские сказки» А. К. Лядова, «Испания» М. Равеля, «Триана» Д`Альбени, «Шарф Коломбины» Г. Гофмансталя, «Ночь на Лысой горе» М. П. Мусоргского, «Свадебка», «Жар-птица» И. Ф. Стравинского. За рубежом продолжала активно заниматься станковой живописью и графикой. Издала альбом пошуаров «Театральный портреты» (1915–1916). Экспонировала свои работы в Осеннем салоне, салоне Независимых и Тюильри. Принимала участие в выставках русского искусства за рубежом, международных выставках в Риме (1923), Дрездене (1926), Бордо (1927).
Основным сосредоточием сил в эмиграции оставался театр. В 1930-х — 1940-х исполнила эскизы декораций и костюмов для многих театров Европы и Америки: «Сорочинская ярмарка» Мусоргского (Буэнос-Айрес, 1932), «Сказка о царе Салтане» Римского-Корсакова (Ковно, 1932), «Парижская жизнь» Ж. Оффенбаха (Нью-Йорк, 1933), «Мефисто-вальс» Ф. Листа (Париж, 1935), «Золушка» П. Эрлангера (Лондон, 1938), «Севильский цирюльник» Дж. Россини (Лондон, 1948) и другие. Провела персональные выставки в Риме (1918), Париже (1918–1920, 1926, 1931, 1939, 1948, 1952, 1956, 1958), Нью-Йорке (1923), Лондоне (1926), Милане и Бале (1961). В 1961 в Лондоне и 1963 в Париже состоялись большие ретроспективные выставки творчества Гончаровой и Ларионова. Мемориальные выставки произведений Гончаровой прошли во многих городах Европы. В 1968 выставка пастелей художницы состоялась в ГМИИ им. А. С. Пушкина.
Гончарова — выдающаяся художница первой половины ХХ столетия, одна из наиболее значительных фигур русского авангарда. В ее творчестве традиционно выделяют несколько периодов: импрессионистический (1903–1906), примитивистский (1906–1911), футуристический (1911–1912), лучистский (1912–1913). В дальнейшем развивала различные направления, отдавая предпочтение примитивистской эстетике. Обращалась к темам раннего творчества. В сценографии часто обращалась к различным формам народного искусства (костюма, орнамента). Ее театральные работы отмечены стремлением к стилизации, контрастным цветовым сочетаниям, наивной перспективе и пропорциям.
Произведения Гончаровой находятся во многих музейных собраниях, в том числе в Государственной Третьяковской галерее, Государственном Русском музее, ГМИИ им. А. С. Пушкина, Государственном центральном театральном музее им. А. А. Бахрушина, Центре Жоржа Помпиду в Париже и других.
