Пономарева родилась 27 апреля 1929 года в Свердловской области. Серьезно заниматься спортом начала в годы обучения в университете. Сначала увлекалась беговыми дисциплинами, позднее переквалифицировалась в метательницу диска.
В 1952 году на Играх в Хельсинки Пономарева завоевала первую для нашей страны золотую медаль в истории Олимпиад. После этого успеха спортсменка получила в зарубежной прессе неофициальное звание "железная леди".
В том же году на соревнованиях в Одессе она отправила диск на 53 метра 61 сантиметр, установив мировой рекорд.
Через восемь лет в Риме она повторила свой успех, выиграв золото с олимпийским рекордом (55,10), а в 1958 году в Мельбурне Пономарева стала бронзовым призером.
На своей четвертой Олимпиаде в 1964 году в Токио Пономарева заняла 11-е место, поле чего два года спустя завершила карьеру и занялась тренерской деятельностью.