Наталья Сергеевна Гончарова родилась 21 июня 1881 года в селе Нагаево Тульской губернии в семье архитектора Сергея Михайловича Гончарова и Екатерины Ильиничны (Беляевой). Ее детство прошло в фамильных имениях средней полосы России.
В 1891 году вместе с семьей переезжает в Москву. Где в 1901 году поступила на скульптурное отделение МУЖВЗ в класс Паоло Трубецкого. Где она встретила Михаила Ларионова - студента последнего класса общеобразовательного училища.
В 1908 году Гончарова одновременно училась и преподавала в студии И.Машкова и А.Михайловского в Малом Харитоньевском переулке.
В 1911-1912 гг. Наталья Сергеевна увлеклась приёмами лучизма, её работы принимали участие во многих авангардных выставках: «Бубновый валет», «Ослиный хвост» и др.
В 1909 г. художница дебютировала в театре, создав эскизы к спектаклю «Свадьба Зобеиды» в частной студии К.Ф.Крахта. В 1914 г. Наталья Гончарова оформила спектакль «Золотой петушок» для «Русских сезонов» С.П.Дягилева в Париже, спектакль имел грандиозный успех. А в 1915 г. они вместе с Ларионовым уехали из России во Францию, приняв приглашение Дягилева о постоянной работе.
В 1930-1940-е гг. Наталья Сергеевна сотрудничала с труппой «Русский балет Монте-Карло».
Наталья Гончарова осознавала себя в первую очередь живописцем, но работая для театра, всегда полностью погружалась в процесс, заботилась обо всех деталях оформления, выработав свой особенный взгляд на декорацию и костюм.
В собрании ГЦТМ им.А.А.Бахрушина хранятся эскизы костюмов и декораций для постановок в Камерном театре, портрет Таирова А.Я., работы к спектаклям «Золотой петушок», «Литургия», «Жар-птица», созданные для антрепризы Дягилева, эскиз костюма для спектакля «Золушка» антрепризы полковника В. де Базиля, эскизы костюмов и декорации для балета «Игрушки» для «Русского балета Монте-Карло».