Ia ditangkap pada 13 Februari 1917, di kamarnya di Hotel Elysée Palace, di Champs Elysee, Paris. Dia diadili pada 24 Juli 1917, dituduh melakukan aksi spionase untuk musuh dan mengakibatkan kematian sedikitnya 50.000 tentara. Meskipun intelijen Prancis dan Inggris menduga dia menjadi mata-mata Jerman, tapi mereka tidak bisa menunjukkan bukti pasti terhadapnya.
Akhirnya, ada tinta rahasia ditemukan di kamar Mata Hari, yang menjadi bukti memberatkan di masa itu. Saat itu dia beralasan bahwa itu adalah bagian dari make-up nya. Dia sempat menulis beberapa surat kepada Konsul Belanda di Paris dan mengklaim dia tidak bersalah. "Koneksi internasional saya adalah karena pekerjaan saya sebagai penari, tidak ada yang lain...." Dia dieksekusi oleh regu tembak pada 15 Oktober 1917, di usia 41 tahun.
Ikhwal keterlibatannya dalam kegiatan spionase mulai terungkap setelah dokumen Jerman yang dibuka tahun 1970-an membuktikan bahwa Mata Hari adalah benar-benar seorang agen. Ia diketahui bergabung dengan dinas rahasia Jerman pada musim gugur tahun 1915.
Berujung pada penangkapan..