Née dans une famille de la petite noblesse russe, Natalia Gontcharova est admise en 1898 à l’École de peinture, de sculpture et d’architecture de Moscou, où elle se forme auprès du sculpteur Paul Troubetzkoï, disciple d’Auguste Rodin. Elle y rencontre son mari, le peintre Mikhaïl Larionov, puis devient l’élève de l’impressionniste Konstantin Korovine. Ses premières œuvres témoignent de son assimilation de l’impressionnisme, des Nabis ou du fauvisme. Parallèlement, elle cultive son intérêt pour l’art populaire russe, notamment pour les icônes et les loubki. En 1910, à Moscou, elle participe avec M. Larionov à la fondation du groupe du Valet de carreau qui se réclame de Paul Cézanne, des fauves et du postimpressionnisme, et organise des expositions de peintres d’avant-garde russes ou français. Mais elle reproche au Valet de carreau son asservissement à la peinture française et prône une inspiration davantage tournée vers l’art populaire russe. C’est pourquoi, en 1912, elle crée avec son mari la Queue de l’âne, inspiré du néoprimitivisme russe et oriental, et monte à Moscou une exposition qui fait scandale. En 1913, sous l’inspiration du cubisme et du futurisme italien, M. Larionov publie le manifeste fondateur du mouvement « rayonniste » (loutchizm), qui vise à rendre visible les vibrations d’un objet, son « rayonnement » de matière, qui prend, sur la toile, la forme de rayons colorés.

En 1913-1914, le couple présente à Paris des œuvres « rayonnistes » dans le cadre d’une grande exposition organisée par la galerie Paul Guillaume. Serge de Diaghilev leur propose de créer des décors, des costumes, des affiches et des livrets pour ses célèbres Ballets russes. Après la disparition du directeur de troupe russe, N. Gontcharova continue à peindre et multiplie les expositions : en 1920 à l’Exposition internationale d’art contemporain de Genève, en 1922 à la Kingore Gallery de New York, tout en contribuant régulièrement au Salon des Tuileries et au Salon des indépendants de Paris. Durant les années 1930, les œuvres du couple sombrent peu à peu dans l’oubli. Elles ne bénéficieront d’un regain d’attention que grâce aux rétrospectives consacrées à S. de Diaghilev. En 1961, une grande exposition organisée à Londres sur l’œuvre de N. Gontcharova et de M. Larionov consacre la place de l’artiste dans l’historiographie de l’avant-garde russe.