Η Ναταλία Γκοντσάροβα σπούδασε γλυπτική στη Μόσχα, αλλά εργάστηκε ως ζωγράφος και σχεδιάστρια. Εμπνεύστηκε τόσο από το ενδιαφέρον της για τη ρωσική λαϊκή τέχνη όσο και από τον μοντερνισμό στην τέχνη. Με τον σύντροφο της ζωής της Mikhail Larionov ανέπτυξε για πρώτη φορά ένα στυλ που ονομάστηκε Rayonism. Αποτελούσαν μέρος της προεπαναστατικής ρωσικής πρωτοπορίας. Βοήθησαν στη διοργάνωση της λεγόμενης έκθεσης "Η ουρά του γαϊδάρου" το 1912 και παρουσίασαν τη δουλειά τους στην έκθεση Der Blaue Reiter στο Μόναχο την ίδια χρονιά.
Η Γκοντσάροβα έγινε διάσημη στη Ρωσία για τα φουτουριστικά έργα της, όπως ο "Ποδηλάτης" και τα μεταγενέστερα ραγιονιστικά έργα της. Οργάνωσαν βραδιές διαλέξεων και η Γκοντσάροβα έγραψε και εικονογράφησε ένα βιβλίο σε φουτουριστικό στυλ.
Το 1913 άρχισε να σχεδιάζει κοστούμια και σκηνικά μπαλέτου για τα Μπαλέτα των Ρώσων του Ντιαγκίλεφ και αλλού. Έκανε τη σκηνογραφία και το σχεδιασμό των κοστουμιών για αυτά τα μπαλέτα: Le Coq d'Or' (1914), The Liturgy (1915), Ygrushka (1921) Reynard (με τον σύζυγό της- 1922), Les Noces (1923), Une nuit sur le mont chauve (1924), The Firebird (αναβίωση του 1926), Sur le Borsythène (με τον σύζυγό της- 1932), Cendrillon (1938), Bogatyri (1938) και την παραγωγή του Sadler's Wells του 1954 για το Firebird.
Η Γκοντσάροβα μετακόμισε στο Παρίσι το 1921, όπου εξέθετε τακτικά την τέχνη της. Έγινε Γαλλίδα πολίτης το 1939. Παντρεύτηκε τελικά τον Larionov το 1955 και πέθανε στο Παρίσι, το 1962.
Οι μεγαλύτερες συλλογές έργων της βρίσκονται στο Κέντρο Πομπιντού στο Παρίσι, στο Ρωσικό Μουσείο στην Αγία Πετρούπολη και στην Κρατική Πινακοθήκη Τρετιακόφ στη Μόσχα.
