Ладу сомневался, он хотел сначала увидеть результат. Мата Хари согласилась. Чтобы заслужить миллион от Второго бюро, она сблизилась в Мадриде с немецким военным атташе Гансом фон Калле. Начинающая шпионка не подозревала, в какой опасной шпионской сети она запуталась. Фон Калле разгадал двойную игру и использовал Мату Хари, чтобы передать французам дезинформацию. Одновременно он отправил в Берлин плохо закодированное сообщение, в котором сообщал, что Мата Хари для вида согласилась на предложение Второго бюро. Как и ожидалось, радиограмма была перехвачена англичанами и передана французским союзникам. Судьба Маты Хари была решена.
13 февраля 1917 г., сразу по возвращении в Париж, она была арестована в отеле «Плаза» на улице Монтень. Обвинение гласило: шпионаж и сотрудничество с врагом. Даже в этот момент Мата Хари, по-видимому, совершенно не понимала своего положения — в конце концов, какие тайны она выдала? После того как ее доставили в тюрьму, она прежде всего потребовала телефон и ванную.
На допросах она путалась в новой лжи и отговорках. «Я люблю офицеров. Я любила их всю жизнь. Я лучше буду любовницей бедного офицера, чем богатого банкира. Мое наибольшее удовольствие — спать с ними, не думая про деньги. Я также люблю сравнивать разные нации.
«Я увидел высокую женщину с толстыми губами и медным цветом лица, с фальшивыми жемчужинами в ушах, похожую на дикарку. Волосы на висках были уже седые, там, где краска плохо держится. В тусклом свете дня она едва ли была похожа на танцовщицу, очаровавшую стольких мужчин. Все же в линиях тела она сохранила некоторую гармонию, некоторую стройность и качание бедер, довольно привлекательное».
Кроме того, это господа сильно увивались за мной. И я от всего сердца говорила «да». Они уходили от меня довольные, мы не говорили про войну. Я держалась только за Маслова, его я люблю страстно», — сказала она на допросе 5 мая 1917 г. Но бахвальство о якобы имевшем место романе с немецким кронпринцем в конце концов погубило ее. Когда Мата Хари постепенно осознала серьезность своего положения, она пошла на уступки: «Представьте себе, какие услуги я могла бы оказать Франции. Когда я приехала во Францию, я совсем не думала заниматься шпионажем для кого бы то ни было. Только в кабинете капитана Ладу меня посетило это большое и сильное видение. Всю жизнь я принимала спонтанные решения. Я никогда не делала нерешительных шагов. Я вижу цели и иду к ним напрямик».
«Вчера утром расстреляна танцовщица Мата Хари. Ее настоящая фамилия была Зелле, национальность неизвестна, она достигла сомнительной славы в качестве так называемой индийской храмовой танцовщицы. С начала войны и, вероятно, еще раньше она поддерживала связи за границей, а именно с полицией в Берлине, где находилась в августе 1914 г. Вернувшись во Францию, занималась шпионажем и была арестована 13 февраля сего года. Мата Хари до конца сохранила мужество. Она отказалась завязать глаза, она умерла, не сказав ни слова».
Четыре мучительно долгих месяца ожидала Мата Хари своего приговора, в колебаниях между надеждой и отчаянием. Тем временем военное положение Франции сильно ухудшилось. Чтобы отвлечь внимание от бездарности военных, французская пропаганда подогревала тему шпионажа: для неудач было только одно объяснение — измена. Мата Хари стала самой заметной жертвой этой истерии, ее следовало наказать в назидание другим. С современной точки зрения ее процесс считается судебным убийством; все попытки защиты блокировались. Она предвидела, каково наказание за госудаственную измену, но никогда не принимала в расчет смертный приговор. «Она была прирожденной шпионкой — без угрызений совести, без сострадания», — признал ее следователь, капитан Пьер Бушардон, еще до приговора. Наконец 25 июля 1917 г. присяжные заседатели военного суда тоже признали обвиняемую виновной. Приговор: смертная казнь через расстрел.