С 1909 работала как художник театра (спектакль «Свадьба Зобеиды» Г. Гофмансталя в частной студии К. Крафта в Москве). Оформила балет «Золотой петушок» Н. А. Римского-Корсакова для антрепризы С. П. Дягилева в Париже (1913), спектакль «Веер» К. Гольдони для Камерного театра в Москве (1915). В 1911–1915 активно занималась также прикладным искусством — создавала панно, скульптуры, декоративные фризы для частных московских особняков.

В 1915 была приглашена Дягилевым работать в качестве художника «Русских сезонов» и покинула Россию. В 1915–1918 жила в Швейцарии, Италии, Испании, Франции, с 1918 поселилась в Париже. Для дягилевской антрепризы создала оформление балетов «Русские сказки» А. К. Лядова, «Испания» М. Равеля, «Триана» Д`Альбени, «Шарф Коломбины» Г. Гофмансталя, «Ночь на Лысой горе» М. П. Мусоргского, «Свадебка», «Жар-птица» И. Ф. Стравинского.

За рубежом продолжала активно заниматься станковой живописью и графикой. Издала альбом пошуаров «Театральный портреты» (1915–1916). Экспонировала свои работы в Осеннем салоне, салоне Независимых и Тюильри. Принимала участие в выставках русского искусства за рубежом, международных выставках в Риме (1923), Дрездене (1926), Бордо (1927).

Основным сосредоточием сил в эмиграции оставался театр. В 1930-х — 1940-х исполнила эскизы декораций и костюмов для многих театров Европы и Америки: «Сорочинская ярмарка» Мусоргского (Буэнос-Айрес, 1932), «Сказка о царе Салтане» Римского-Корсакова (Ковно, 1932), «Парижская жизнь» Ж. Оффенбаха (Нью-Йорк, 1933), «Мефисто-вальс» Ф. Листа (Париж, 1935), «Золушка» П. Эрлангера (Лондон, 1938), «Севильский цирюльник» Дж. Россини (Лондон, 1948) и другие.

Провела персональные выставки в Риме (1918), Париже (1918–1920, 1926, 1931, 1939, 1948, 1952, 1956, 1958), Нью-Йорке (1923), Лондоне (1926), Милане и Бале (1961). В 1961 в Лондоне и 1963 в Париже состоялись большие ретроспективные выставки творчества Гончаровой и Ларионова. Мемориальные выставки произведений Гончаровой прошли во многих городах Европы. В 1968 выставка пастелей художницы состоялась в ГМИИ им. А. С. Пушкина.

Гончарова — выдающаяся художница первой половины ХХ столетия, одна из наиболее значительных фигур русского авангарда. В ее творчестве традиционно выделяют несколько периодов: импрессионистический (1903–1906), примитивистский (1906–1911), футуристический (1911–1912), лучистский (1912–1913). В дальнейшем развивала различные направления, отдавая предпочтение примитивистской эстетике. Обращалась к темам раннего творчества. В сценографии часто обращалась к различным формам народного искусства (костюма, орнамента). Ее театральные работы отмечены стремлением к стилизации, контрастным цветовым сочетаниям, наивной перспективе и пропорциям.

Произведения Гончаровой находятся во многих музейных собраниях, в том числе в Государственной Третьяковской галерее, Государственном Русском музее, ГМИИ им. А. С. Пушкина, Государственном центральном театральном музее им. А. А. Бахрушина, Центре Жоржа Помпиду в Париже и других.