На ранних этапах своего творчества Гончарова занималась скульптурой — за свои работы она даже дважды удостаивалась медалей. Однако впоследствии она всё сильнее увлекается живописью. Для её творчества оказались характерны яркие цвета и необычные формы..
Гончарова принадлежала к лучизму — художники, относящиеся к этому течению, стремились выразить пространства и формы, рождающися из «пересечения отраженных лучей различных предметов». При этом художница пробовала себя и в других направлениях — экспрессионизме, фовизме, кубизме и примитивизме. Художница участвовала в многочисленных выставках, её картины появлялись на открытках. Также Гончарова стала известна как книжный иллюстратор — в частности, с её оформлением вышли «Сказки о царе Салтане» в 1921 году и «Слово о полку Игореве» в 1923 году. Наконец, художница занималась оформлением спектаклей и рисунками тканей для зарубежных домов моды.
Доводилось Гончаровой сталкиваться с цензурой — после одной из её персональных выставок картины «Натурщица с закинутыми за голову руками» и «Натурщица с руками на талии» были арестованы, поскольку анонимный критик, опубликовавший отзыв на выставку, счёл их «порнографическими». Считается, что до Гончаровой статья о порнографии не применялась по отношению к работам, имеющим художественную ценность.
18 июня 2007 года на вечерних торгах аукциона Christie's в Лондоне картина Гончаровой «Сбор яблок» была продана за 4 948 000 фунтов стерлингов, что по тогдашнему курсу составляло без малого 10 миллионов долларов США. На тот момент это была самая большая цена, за которую когда-либо была продана картина художника-женщины. Впрочем, два с половиной года спустя другой картиной Гончаровой был установлен новый рекорд — написанная в 1916 году «Испанка» была продана на аналогичном аукционе за 6 425 250 фунтов стерлингов или 10 216 148 долларов США.
