Родилась 16 июня 1970 года в Тбилиси в семье хореографа и военного. До 12 лет жила с родителями в Грузии. 

Первые актёрские навыки получила в театральной студии тбилисского Дома офицеров. После переезда в Москву занималась в театральной студии «Лица Москвы».

В 1992 году окончила Школу-студию МХАТ (актёрский факультет, мастерская И. Тарханова и О. Фрид). 

Много снимается в телесериалах, рекламных роликах и видеоклипах (самый известный — клип на песню «Не со мной» группы «ЧайФ»). Продюсировала на телевидении цикл передач о туризме. 

Член Союза кинематографистов РФ и Гильдии актёров России. 

С 2008 года играет в театре «Мастерская „12“» Никиты Михалкова. 

В студенческие годы участвовала в театральных постановках. 

По данным на 2021 год, Наталья Гончарова замужем, имеет двух дочерей.