Mais après la gloire et la fortune, vint le déclin. Ses rivales avaient profité de ses tournées pour s’inspirer de son style. Ce qu’elle avait innové s’usait. Demi-mondaine, endettée, réduite à des rôles peu reluisants dans des spectacles populaires, se prostituant dans des maisons closes, Mata Hari se fichait bien de la nationalité de ses bienfaiteurs. Sur fond de Première Guerre mondiale, cette naïveté causa perte.
En 1915, déjà l’Allemagne lui avait proposé de rembourser ses dettes contre des renseignements sans qu’on sache si elle remplit cette mission.
En 1916, dans l’espoir d’obtenir un laissez-passer pour rejoindre à Vittel son amant, un jeune officier russe, blessé, elle céda aux propositions du chef des services du contre-espionnage français. Sa mission ? Espionner le Haut commandement allemand en Belgique. C’est ainsi qu’elle se trouva l’objet de manipulations et d’intoxication des deux bords qui la dépassaient, même si elle s’enorgueillissait de son rôle d’intrigante.
Les Allemands firent en sorte de persuader les Français qu’elle était un agent double travaillant pour eux sous le nom de H21.
Arrêtée, accusée d'espionnage au profit de l'Allemagne, après une enquête sommaire, elle passa du statut d'idole à celui de coupable idéale dans une France dont l'armée venait de connaître d'importantes mutineries après l'échec de la bataille du Chemin des Dames.
Son avocat, et ancien amant, Edouard Clunet, n'eut le droit d'assister qu'aux premiers et derniers interrogatoires. Le procès, dont le substitut du procureur, André Mornet, également un ancien amant, ne dura que trois jours sans apporter de nouveaux éléments. Quant à son amant russe, pour lequel elle s’était lancée dans cette fatale aventure, il l’abandonna à son sort.
Tenue de façon absurde comme le meilleur agent de l’Allemagne, bouc émissaire idéal, elle fut condamnée à mort pour intelligence avec l’ennemi en temps de guerre. Le président Raymond Poincaré rejeta sa grâce et laissa la France fusiller une espionne de pacotille. Le 15 octobre 1917, extraite de la prison de Saint-Lazare, elle fut menée en automobile jusqu’aux fossés de la forteresse de Vincennes où elle fit face au peloton d’exécution avec beaucoup de courage.