Beberapa bulan kemudian, secara tidak sengaja ia bertemu Kapten Georges Ladoux, Kepala Dinas Counterintelligence Prancis—badan yang dibentuk untuk menginvestigasi mata-mata asing. Sama seperti pihak Jerman, Ladoux meminta kerja sama dari Mata Hari.
Mata Hari, perempuan yang menyingkap tabir misteri negeri Timur pada masyarakat Paris, akhirnya melangkah di dua sisi: Jerman dan Prancis. Hingga pada waktunya aksi ini terungkap. 24 Juli 1917, ia berdiri di hadapan pengadilan tertutup militer.
Baca juga: Penelitian Perburuan Paus oleh Bangsa Romawi Berawal dari Garam Ikan
Hanya dalam tempo dua hari, perempuan cerdas dengan pesona luar biasa ini dinyatakan bersalah melakukan kegiatan mata-mata terhadap Prancis dan dijatuhi hukuman mati. Ia dieksekusi pada 15 Oktober 1917 di hadapan regu tembak, tewas dalam usia 41 tahun.
Meski demikian, kasusnya tidak redup. Banyak kontroversi yang menyatakan bahwa ia sebenarnya tidak bersalah. Lain dari itu, namanya diasosiasikan dengan eksotisme yang bertahan hingga masa sekarang.