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1917年1月2日，刻意打扮了一番的玛塔·哈莉回到巴黎。她原以为乔装打扮之后别人不易认出她来，没想到她回巴黎没几天就被人发现了。一位身居要职的“老关系户”悄悄告诉她，法国反间谍部门正在着手调查她。她这才知道自己当双面间谍之事已败露，急于寻找一个保护伞。
她先是找到了她刚刚提供过情报的丹维纽上校。丹维纽说自己帮不上忙，要她去找杜拉上尉。杜拉不想理她，对她说：“你的命运把握在你自己手中。”无奈之下，她只好硬着头皮去找自己的情人马斯洛夫。但马斯洛夫对此也无能为力，因为她的身份被弄清后，马斯洛夫已经被上司警告。为了自己的前途，他下狠心与这个真心爱他的女人断绝了关系。
走投无路的玛塔·哈莉只得向她的祖国求救，她来到了荷兰驻法大使馆。因为涉嫌间谍罪，荷兰驻法大使馆的人也不好明着帮她，只好找理由搪塞她。玛塔·哈莉知道自己已经无法从法国逃走了，处在被监视中，心里非常焦急。她的担心很快便被证实，没过多久她就被正式逮捕。
关于玛塔·哈莉的被捕，资料记载是1917年1月13日在荷兰驻巴黎使馆前被抓的，也有材料说她是1917年2月13日在爱丽舍饭店被捕。总之，法国对这次抓捕行动高度重视，巴黎警察局长普里奥亲自部署了这次行动。玛塔·哈莉被捕后，一直被关在圣拉扎尔监狱12号监房。
玛塔·哈莉被捕后，各大报纸都刊登了这一重大消息，有的报纸还刊登了她在狱中的照片。此时的她已经不再是昔日那个令无数男人倾倒的当红舞星，一副落难的样子简直令人不敢相信她就是过去风光无限的交际花。有的报纸甚至把她贬得一文不值，称她是“年老色衰，其貌不扬的女人”。忐忑不安的玛塔·哈莉等待着法律对她的审判。
1917年7月24日，审判她的这一天终于到来，玛塔·哈莉被押上了军事法庭，站在被告席上接受审判。
检察官在起诉书中说，玛塔·哈莉长期为德国从事间谍活动，她的情报导致了17艘协约国舰船被击沉，造成了5万多名法国士兵阵亡。检察官还说，由于她向德国情报部门提供军事情报，导致英国的“汉普郡号”被击沉、英国海军总司令吉青纳勋爵遇难；此外，她还出卖了六名法国间谍……
“玛塔·哈莉多次向德国方面提供军事情报，向敌人报告英、法军队的物资情况和部队集结方面的情报。骗取美国军方拟议中的盟军坦克应用方案，还导致英国的‘汉普郡号’巡洋舰在奥尼克群岛被德国潜艇击沉。”
对于法国政府来说，玛塔·哈莉间谍案恰逢其时。他们觉得，没有什么比这个更能掩盖政府在战争中的失误。犹太籍的法国军官德雷福斯正是在这个时候被诬陷为德国间谍并被处决的。判决玛塔·哈莉，就可以让民众相信，法国在战争中遭受损失，完全是因为这个淫荡的女人泄露了国家机密。
对于检察官指控她从事间谍活动，玛塔·哈莉坚决否认自己的间谍身份。她辩称：“我只是一个情妇，充其量是一个高级妓女，仅此而已。但绝不是什么间谍，永远不是！”
审判官问她：“我们从你的住处搜出的一张1.5万法郎支票，又有破译的德国情报机关的谍报佐证，这是寄给间谍‘H21’的活动费用，对此你作何解释？”
玛塔·哈莉还在辩解：“我确实收到了这笔钱，但这只是我卖身的报酬。我是德国间谍头子冯·卡勒的情妇，我付出了身体，理应得到回报。我不是法国人，可以和喜欢我的任何人相好，不存在叛国问题。”
法国军方出庭做证的证人，拿出了一瓶从她寓所搜出的密写药水：“这里有我们从你住处搜出的密写药水，你还有什么话可说？”还存在幻想的玛塔·哈莉狡辩说：“那不是密写药水，只是我用来消毒的药水。”
于是，法国军方证人亲自演示，证明那的确是一瓶密写药水。绝望的玛塔·哈莉终于低下了头。略微沉默了一下，她又大声说道：“是的，我在马德里认识了冯·卡勒，都是他让我干的。可是，我不也向你们法国提供了德国人要向摩洛哥派兵的情报吗？为什么不能功过两抵呢？”
对此，法庭认为，玛塔·哈莉早在为法国做事之前就是德国间谍，而且长期为德国情报机关工作。她之所以提供一些德国方面的情报给法国，一是为了钱，二是为了留一条后路。但是她交给德国的情报是最新最准确的，交给法国的情报却大多是过时的，给法国军队造成了重大伤亡。因此她的罪责是不可原谅的！
法国反间谍部门指控玛塔·哈莉使用美人计为德国人窃取情报，法国军方认定她是个超级间谍，从事了危害国家安全的活动，犯有叛国罪。军事法庭据此判处她死刑！
她的辩护律师克鲁内非常想挽回她的生命，甚至以她有身孕为由，长跪于法院院长普安卡雷面前，请求法院免其当事人一死。但他的苦苦相求并没有打动法官和院长。玛塔·哈莉内心还算平静地听完了法官的判决，她知道仅凭自己的努力，一切都无济于事。
此时此刻，玛塔·哈莉百感交集，最恨的就是那些与她有过无数风流的情人，他们有的身居要职，有的富得流油，完全可以为她做点什么，或许能够免她一死。但是没有人为她站出来说话，个个都怕连累到自己。
玛塔·哈莉不甘心就这样终结生命，以自己不是法国人为由，上诉至法国总统，请求免除其死刑。荷兰首相也想帮她，在“国民要求赦免死刑”的请愿书上盖章并经女王交给法国政府。后来又有两位国王、一位总理和多名富豪出面替她求情，希望法国政府能免去这位技艺超群的艺人一死。有文章分析说，那些权贵和富豪出面保她，是政府当局授意的，目的是为了防止玛塔·哈莉在万念俱灰时抱着鱼死网破的赌徒心理，把自己掌握的大量机密和盘托出。既然是出于这样的目的，结果当然不会有实质性的改变，最终只能是无功而返。