Танцовщица приезжала во Францию дважды: в 1915 и 1916 годах. Во время второго приезда вызвавший ее к себе капитан Ладу предложил Мата Хари работать на Второе бюро. (В своих «Воспоминаниях» Ладу утверждал, что инициатива исходила от его собеседницы.) Ладу, однако, не скрыл от Мата Хари, что он считает ее германской шпионкой. Через некоторое время Мата Хари приняла предложение Второго бюро. Она выразила готовность поехать в Брюссель, куда еще раньше ее приглашал некий банкир Варфлейн, и завязать там связи с видными немецкими офицерами. За свои услуги танцовщица запросила ни больше ни меньше, как миллион франков. Такая непомерная цифра свидетельствовала либо о наивности, либо об искусной игре в наивность. В лучшем случае Второе бюро заплатило бы своему агенту в десятки раз меньшую сумму. Однако Ладу, явно не принимавший игру всерьез, заявил:
— Это большая сумма, но если Вы действительно окажете нам услуги, о которых мы Вас просим, ее Вам заплатят.
Капитан поручил Мата Хари отправиться в Гаагу и ожидать там инструкций, которые доставит ей лицо, пользующееся доверием Второго бюро.
— Как я его узнаю?
Ладу улыбнулся и написал что-то на клочке бумаги, который передал танцовщице. Там стояло: «АФ-44».
— Вам знаком этот номер? — спросил он и, получив отрицательный ответ, спокойно добавил: — Это Ваш номер, тот, который Вам дан немецкой секретной службой.
Мата Хари с негодованием заявила, что ей надоели оскорбительные и беспочвенные подозрения.
Вскоре она уехала в Испанию, чтобы оттуда кружным путем на нейтральном пароходе добраться до Голландии.
9 ноября в испанском порту Виго она села на пассажирский пароход «Голландия».
Однако ей не удалось добраться до цели. По дороге пароход был задержан английскими военными кораблями и направлен на досмотр в Фалмут. Английские власти тщательно проверили содержимое чемоданов танцовщицы, объявили, что она — немецкая шпионка Клара Бенедикт, и отказались ее пропустить. Мата Хари была вынуждена вернуться в Испанию. В Мадриде, заждавшись инструкций от капитана Ладу, она, по ее словам, начала действовать сама: быстро познакомилась с германским военным атташе фон Калле и выудила у него ряд немаловажных сведений (например, о том, что немцы собираются доставить оружие в Марокко и о том, что германская разведка знакома с французским шифром). Эти сведения она переслала во Второе бюро.
Возвратившись в Париж, Мата Хари натолкнулась на еще большее недоверие Ладу. За ней сразу же была установлена слежка, а вскоре, 13 февраля 1917 года, последовал приказ об ее аресте. При обыске среди косметики и грима были обнаружены симпатические чернила.
Два месяца ей не предъявляли обвинения. Наконец следователь капитан Бушардон получил разрешение использовать перехваченные немецкие телеграммы. В них говорилось об агенте «Х-21», о деньгах, заплаченных этому агенту, о том, что он поступил на службу во французскую разведку, но что французы ему не доверяют. В одной из телеграмм указывалось, что «Х-21» отправился по поручению французов в Бельгию и собирается попасть туда через голландскую территорию, выехав на корабле «Голландия», что этот агент снабжен чернилами для тайнописи. В телеграммах передавалось также, что «Х-21» не был пропущен англичанами, вернулся в Испанию и потом отправился в Париж. Особо веским доказательством того, что речь шла о Мата Хари, была переданная в одной из телеграмм просьба переводить агенту «Х-21» деньги из Голландии через его служанку Анну Линтьенс. Это была служанка Мата Хари.
Танцовщица решительно отвергала все предъявленные ей обвинения, утверждала, что речь идет о каком-то совершенно неизвестном ей человеке. Она писала следователю: «Может быть, сами немцы направляют французскую разведку по ложному следу, быть может, это месть с их стороны? Что касается перехваченных депеш, — уверены ли Вы, что они (немцы) не знают о том, что эти депеши будут прочтены Вами? Может быть, дело обстоит так: они телеграфируют то, что желали бы довести до Вашего сведения?»
Телеграммы содержали две ошибки. Так, указывалось, что «Х-21» был в Фалмуте 11 ноября, тогда как Мата Хари находилась в этом месте несколько позднее. 26 декабря 1916 года фон Калле доносил, что «Х-21» отбыл в Париж, а Мата Хари уехала из Мадрида лишь 2 января 1917 года.
Когда Мата Хари поняла, что ее возражения никого не убедили, она 19 (или 21) мая 1917 года сделала неожиданное признание. В мае 1916 года германский консул в Амстердаме Кремер, узнав, что она собирается ехать во Францию, предложил ей заняться сбором разведывательной информации. Она согласилась, и Кремер выдал ей 20 тыс. франков. Мата Хари, по ее утверждению, деньги взяла, но не передавала в Амстердам никаких известий, кроме того, что она вычитывала из газет, словом, ничего существенного.