Утром 13 февраля 1917 года в дверь её номера в «Элизе-Палас-отеле» постучали. Открыв дверь, она увидела шестерых мужчин в форме. Это был шеф полиции Приоле и его подчинённые. Он предъявляет Мата Хари ордер на арест по обвинению в шпионаже. Её помещают в тюрьму Фобур-Сен-Дени в Сен-Лазаре. Она немедленно подаёт прошение руководству тюрьмы: «Я невиновна, и никогда не занималась какой-либо шпионской деятельностью против Франции. Ввиду этого прошу дать необходимые указания, чтобы меня отсюда выпустили».
На допросах у следователя Бушардона, растянувшихся на целых четыре месяца, присутствует только писарь, солдат Бодуэн. Адвокат Мата Хари, Клюнэ, допускается только на первый и последний из четырнадцати допросов, соответственно 13 февраля и 21 июня 1917 года. В материалах дела, помимо перехваченных радиограмм, имеется информация о результатах наблюдений агентов капитана Ладу, подтверждение Дисконт-банка о получении Мата Хари денег, присланных из-за рубежа, её личные документы и доказательства её попыток вернуться в Нидерланды, а также результаты анализа содержимого подозрительного тюбика и флакона чернил для тайнописи, которые можно приобрести только в Испании.
Мата Хари: «Это просто щелочной раствор, он используется для интимных целей. В прошлом декабре мне его прописал один мадридский врач».
Деньги, полученные ею через Дисконт-банк, по её показаниям, высланы бароном ван дер Капелленом. Следователь спрашивает её: «Когда вы в первый раз пришли в бюро нашей контрразведки на бульваре Сен-Жермен, 282, были ли вы в то время немецкой шпионкой?»
Мата Хари отвечает: «То обстоятельство, что я была в близких отношениях с некоторыми лицами, никоим образом не означает, что я занималась шпионажем. Я никогда не занималась шпионажем в пользу Германии. За исключением Франции, я не шпионила ни для одной другой страны. Будучи профессиональной танцовщицей, я, естественно, могла общаться с некоторыми людьми в Берлине, но без тех мотивов, которые вы, видимо, связываете с этим. К тому же ведь я сама назвала вам имена этих людей».
Во второй половине апреля 1917 года французам удаётся расшифровать несколько германских радиограмм, перехваченных станцией подслушивания на Эйфелевой башне и имеющих отношение к деятельности агента H-21.
Следователь Бушардон: «Внезапно всё дело представилось мне абсолютно ясным: Маргарет Зелле снабжала майора Калле целым рядом сообщений. Какими именно? Думаю, что не могу их огласить, поскольку всё ещё связан служебной присягой. Могу сказать только одно: они расценивались, в особенности нашим центром, как информация, отчасти содержащая важные факты. Для меня же они служили подтверждением того, что эта шпионка так или иначе была связана с определённым числом офицеров и что ей хватило хитрости задавать им некоторое вполне конкретные, и притом коварные, вопросы. Её связи в других кругах позволяли ей получать информацию о политической ситуации в нашей стране».
Но Мата Хари продолжает настаивать на том, что в Мадриде работала только для Франции и выманила у германского майора Калле важные сведения.
Капитан Бушардон: «Ведь вы же могли действовать иначе. Вам стало трудно продолжать жить в Мадриде и по-прежнему встречаться с майором Калле. Поскольку вы знали, что в любое время можете попасть в поле зрения наших агентов, вам поневоле пришлось задумываться, каким образом вы сможете объяснить всё это в случае необходимости. Таким образом, с целью мотивировать свои посещения майора и рассеять наши подозрения, вы неизбежно должны были делать вид, будто подбрасываете французам определённую информацию. Это основной принцип любой шпионской игры. Вы слишком умны, чтобы не учитывать этого».
Процесс начался 24 июля 1917 года и уже на следующий день суд присяжных приговорил Маргарет Гертруду Зелле к смертной казни. Услышав приговор, Мата Хари закричала: «Это невозможно! Это невозможно!» Клюнэ, её адвокат, падает перед президентом Пуанкаре на колени и безуспешно умоляет главу государства помиловать его подзащитную.
Корреспондент Генри Дж. Уэйлс из «Интернэшнл ньюс сервис» 15 октября 1917 года был свидетелем последних часов жизни знаменитой танцовщицы: «Она узнала об отклонении своего прошения о помиловании только на заре, когда из камеры тюрьмы в Сен-Лазаре её провели к стоящему у ворот автомобилю и повезли в казармы, где ожидала команда стрелков для приведения приговора в исполнение».
Когда автомобиль с приговорённой подъехал к Венсенским казармам, воинское подразделение уже было построено. В то время как патер Арбоз говорил с приговорённой, приблизился французский офицер. «Повязка», — шепнул он стоящим рядом монашенкам и подал им кусок материи. Но Мата Хари отказалась надевать повязку.