Французская контрразведка на Мату Хари имела досье со множеством показаний, свидетельствующих о том, что она являлась немецким агентом. Неопровержимых доказательств её вины, впрочем, не существовало. У неё нашли флакончик с проявляющимися чернилами, но выяснилось, что это цианид ртути, укол которого Мата Хари делала себе, используя его как противозачаточное средство. Мэтр Клюне, один из любовников Мата Хари, выступал на суде в качестве защитника. Другой её любовник, Жюль Камбон, сотрудник министерства иностранных дел, давал на процессе показания от её имени и по её поручению. Ещё один её любовник, генерал Месими, прислал на процесс письмо, написанное его женой, в котором он просил освободить его от дачи показаний, поскольку он совершенно не знал обвиняемую. Мата Хари, услышав это, рассмеялась: «Ну да, конечно! Он меня не знает! Ну и нервы у старичка!» Весь суд захохотал, но чувство юмора не спасло Мату Хари.
Процесс над Матой Хари открылся 24 июля 1917 года. Все её попытки рассказать о том, что она служила Франции, с негодованием отвергались. «Я не виновна, — заявила Мата Хари на суде. — В какие игры играет со мной французский контршпионаж, которому я служила и инструкции которого я выполняла?» Для самой Маты Хари, наверное, самым тяжёлым разочарованием было то, что страстно любимый ею Вадим Маслов, вызванный в качестве свидетеля, в суд не явился. После этого она потеряла всякую охоту бороться за своё спасение. Да и никакая защита не повлияла бы на исход процесса. Он продолжался при закрытых дверях всего два дня и завершился приговором — расстрел.
Последнюю попытку спасти Мату Хари — или, по крайней мере, выиграть время — предпринял её бывший любовник 75-летний адвокат Эдуар Клюне, утверждавший, что она ждёт от него ребёнка. Грета Зелле поблагодарила старого друга, но отказалась от его помощи.
Мату Хари расстреляли на военном полигоне около города Венсенн.
Мата Хари охотно принимала деньги за оказываемые ею сексуальные услуги. Вместе с тем ей так нравились люди в военной форме, что она часто спала с солдатами совершенно бесплатно. С Мак-Леодом, например, она вступила в интимную связь задолго до того, как стала его женой. Позже у неё было множество любовников-военных из самых разных стран и армий, которые в то время находились в состоянии войны друг с другом. Когда секс был результатом делового соглашения с очередным партнёром, Мата Хари брала за услуги 7500 долларов за ночь. Так, по крайней мере, утверждала она сама. Иногда Мата Хари отвечала на очередное предложение отказом. Так, она отказала одному американцу, торговцу оружием. Ей крайне не понравилось то, как он вёл себя за столом.
Первым известным любовником Маты Хари стал богатый женатый немецкий офицер Альфред Киперт. В 1906 году он поселил её в хорошей квартире, где они в течение года постоянно встречались, после чего распрощались. Мата Хари вернулась в Париж, где рассказывала всем о том, что ездила поохотиться в Египет и Индию. В 1914 году они, однако, снова были вместе. В выборе любовников претензии Маты Хари не уступали сценическим амбициям. Предпочтение она отдавала высшим военным чинам.
В 1910 году Мата Хари стала любовницей Ксавьера Руссо, богатого биржевого дельца. Она жила в замке, все расходы нёс Руссо, но сам появлялся там только в выходные. В начале недели он возвращался в Париж, где жил с женой и детьми и занимался бизнесом. Хотя их связь длилась всего несколько месяцев, его банковские дела вскоре стали приходить в упадок. Ему пришлось отказаться от аренды замка и вместе с Матой Хари переехать в Париж. До банкротства банкир не жалел на любовницу никаких средств, щедро осыпая подарками. Так, он купил ей четыре превосходные лошади чистых кровей, чтобы она могла кататься верхом в окрестном лесу. Но когда для Руссо наступили трудные времена, любовники начали ссориться. Вскоре он покинул её и закончил карьеру как жалкий торговец шампанским.
После Руссо её любовником стал Эдуард Виллен ван дер Капеллен, который, естественно, был богат и женат. Кроме того, он был и полковником голландской армии.
В отношениях с мужчинами Мата Хари славилась решительностью. Например, генерала Мессими она буквально забрасывала приглашениями и письмами, даже приезжала в дом военного министра, чтобы подружиться с его женой, с которой он впоследствии развёлся. Однажды он пытался избежать нежелательной встречи с Матой Хари в Ницце. Когда же они встретились, генерал, сославшись на срочную поездку в Париж, отклонил предложение о встрече. Ничуть не смущённая ложью, Мата Хари устроилась в его купе, словно это был её собственный дом, где Мессими и обнаружил её на следующее утро.