4 Temmuz 1917’de hâkim önüne çıktı. Duruşma halka kapalı yapıldı, gösterilen deliller tamamen ikinci derecedendi ve doğruluğu kanıtlanmamıştı. Adli takibat onun askeri memurlarla olan ilişkilerine dayanmış, askeri sırlara ulaşmak için cinselliğini kullandığı, Almanların tarafında olduğu, onun yüzünden sayısız askerin öldüğü iddia edilmişti.
Casusluk mevzusunun paranoya halini aldığı I. Dünya Savaşı ortamında Mata Hari, kimseye masumiyetini kanıtlayamadı. 15 Ekim’de idam mangası tarafından kurşuna dizilerek idam edildi.
Mata Hari’nin idamı dönemin en çok yankı uyandıran olayı oldu. Hakkında ölümüne dair pek çok söylenti çıkarıldı.
Hatta Mata Hari'nin öleceğini bildiği için hücresinde şarkı söyleyip dans ederek idamını beklediği bile söylendi.
Hâlâ da efsanevi bir şekilde anlatılan ve çoğu kurgu olan skandalları hakkında yazılan Mata Hari’nin ölüsüne kimse sahip çıkmadı.
Bedeni Paris Üniversitesi Tıp Fakültesi’nde bir teşrih odasına kondu.