玛塔·哈丽频繁与各国高官交往的行为引起了法国反间谍组织的警觉，有人注意到她几次在深更半夜的时候写信，可是却从来没有收到过回信。法国军方对“汉普郡号”事件的调查最终牵扯出了玛塔·哈丽。
“汉普郡号”沉没事件非同小可，协约国一直在组织人员调查事件真相。从同盟国内部的情报员送来的情报说，这次德国潜艇击沉“汉普郡号”绝对不是偶然。德国军方事先掌握了一些情况，但其行程的确切日期、航程才是关键，他们到底是从什么渠道弄到情报的，这很值得追究。
协约国开始对所有知道“汉普郡号”起航日期的有关人员挨个调查。可船上成员无一生还，调查还是无法深入。不过有人指出，在“汉普郡号”出发的前三天，曾经看到年轻的副官哈里斯上尉手挽着巴黎红舞星玛塔·哈丽走入了希尔顿饭店。这条消息马上引起了协约国特别是法国反间谍组织的注意。
哈里斯上尉是为数不多的知道“汉普郡号”起航日期和行程的军官之一。作为基钦纳勋爵的贴身副官，他的任务就是对勋爵的住、食、行作出周密安排。而他和玛塔·哈丽搅在一起，难免把元帅的行踪透露给床上人，美人计本来就是间谍中最古老、最常见的手段。
法国情报组织还注意到了这样一点：玛塔·哈丽所交往的情人非富即贵，从外交部长到德国皇储，个个都是位高权重的人物。就算哈里斯上尉年轻英俊，但是这样小的职位怎么会得到玛塔·哈丽的青睐呢？其中必定有某种原因。哈里斯已经葬身大西洋海底，死无对证，但是玛塔·哈丽还活跃在巴黎的社交界，要调查也并不是很难的事情。
那就先从希尔顿饭店人手。从侍者的口中得知，玛塔·哈丽在希尔顿饭店拥有一套最豪华、最高级的房间，付钱的则是法国内政部某大臣，而和玛塔·哈丽来这里的都是一些遮遮掩掩的重要人物。这并不奇怪，大人物们往往都愿意为自己的情妇在某个饭店租下房间，设置香巢，隔三差五地过来幽会。尽管这些侍者已经被客人收买，对来往的客人身份守口如瓶，但法国情报组织还是得到证实：几天前玛塔·哈丽和一位身穿军装的绅士来过，两人在房间里待了好几个小时。
至于对玛塔·哈丽本人，法国情报组织不敢贸然下手。她的情人都是军界、政界的实力人物，没有足够的证据，只会打草惊蛇，甚至被反咬一口。不过，调查她底细的工作进行得很顺利，调查结果加重了他们的怀疑。近些年和玛塔·哈丽交往的名流、官员中，有近半数已经背上了重大泄密嫌疑罪责。难道一切都因这个巴黎舞女？
玛塔·哈丽被监视起来。法国情报人员发现，她每个月要定期到巴黎一两次，每次到巴黎，必定要去拜访荷兰、瑞典和西班牙驻法国大使。法国著名的反间谍第二局秘密拦截并搜查了三国大使的邮件，结果让他们大吃一惊。每位外交信使的公文包里都有几封玛塔·哈丽发往国外的信件，不过信中并没有加密的情报，只是平常的琐事和女人们的闲话罢了。
玛塔·哈丽面对法国情报局杜拉·劳德克斯上尉的询问时，气愤地喊道：“我有权和朋友们通信，不管他们在什么地方，是干什么的，你们凭什么干涉我！”
法国情报组织没有确切的证据，但是任由玛塔·哈丽自由出入巴黎的达官贵人之间，难免会再发生新的泄密事件。情报局最终决定将她驱逐出境，以防日后滋事。
离开法国后，玛塔·哈丽回到新安置在荷兰海牙的家中。此时她的亲人早已经和她断绝来往，父亲去世，兄弟姐妹不再理睬她，已离婚的丈夫更不用说，连亲生女儿也与她形同路人。更多的时候，她都是与新结识的名叫埃达德的骑兵上校幽会，她的这个新家也是这位上校慷慨所赠。只不过军职约束严格，骑兵上校也只能定期前来。
不堪孤寂的玛塔·哈丽又想着回到巴黎，回去并不是她对法国怀有什么特殊情感，主要是因为自己不甘寂寞的天性所致。一番周折过后，她再次取得了去法国的签证，不久又被德国间谍部秘密通知到了阿姆斯特丹。
这次玛塔·哈丽要见的是冯·克拉马，他是一位非常能干的德国间谍，负责在荷兰为德国招募间谍。等待三天后，一个神秘电报把玛塔·哈丽约到了威尼斯餐厅。在餐厅的小单间里，冯·克拉马递给她一个信封，并凑近她耳边小声说：“请你在三天之内返回巴黎，然后再设法弄到一张去维塔的通行证。法军正在那里建筑机场，我们想知道他们的战略计划。这是预付款。”
“这对我来说太难了。”玛塔·哈丽露出为难的神情。
冯·克拉马笑了：“夫人，你去维塔的理由非常充分。巴迪姆·德·马斯洛夫不是你的好朋友吗？他负伤了，住在维塔的疗养院。”
“什么？负伤？重吗？”玛塔·哈丽着急了。马斯洛夫上尉是法军第一军团的军官，玛塔·哈丽在巴黎认识了他，并且爱上了他。这么些年来，马斯洛夫是唯一一个让她不为了金钱等好处而与之相好的男人，此时她只顾得关心情人的安危，却没有意识到自己的一举一动早被德国间谍机关掌握，并且成为控制她的武器。
最后玛塔·哈丽痛快地答应了。l916年6月，她从西班牙入境法国。为了弄到到维塔的通行证，她托人再次找到了杜拉·劳德克斯上尉。上尉很痛快地给了她通行证。实际上，他早已暗中派人盯梢，希望找出玛塔·哈丽间谍行为的证据。
在维塔的l5天是玛塔·哈丽一生中最幸福的时光。与巴黎的嘈杂和战场的血腥相比，有着绿色田野、温泉的维塔宛如宁静的世外桃源。在维塔疗养院以及机场驻地的清一色的男人中，她是唯一的女性，自然也倍受关注，而情人马斯洛夫的陪伴，更使她觉得甜蜜万分。
暗中盯梢的人并没有发现玛塔·哈丽任何可疑之处，但是他们忽略了在她离开维塔的前一天，和马斯洛夫到当地一家餐厅用餐的某个细节。她看完合页式菜单后很随意地合上递给侍者，一张小纸片已经被夹带出去。玛塔·哈丽的情报，使德军不得不修改作战计划，从单纯的依靠步兵和炮兵到发展新式武器——轰炸机。
回到巴黎之后，玛塔·哈丽的间谍生涯仍然没有停止。她告诉杜拉上尉，在柏林偶然听到过一位上校说，德国潜艇早就开始运送走私武器到摩洛哥马赫迪亚港，为什么盟军不去拦截呢？她甚至主动提出，她可以去比利时布鲁塞尔，以自己的交际能力去说服德国著名的干将比辛克将军，让他向法国缴械，自己曾经是德国皇太子的情人，只要略施小计，还可以成为他的情人。她的建议如滔滔江水绵绵不绝，一个比一个诱人。
杜拉上尉居然同意了玛塔·哈丽的要求，给了她一笔经费和一个联络员，把她派到了被德军占领的比利时。不过，他也派出了监视她的间谍。
玛塔·哈丽的美人计依旧屡试不爽，到比利时不久之后她便引诱了一名德军上校上钩，并从他口中得到了重要情报，随后又将其传递到了法国情报部门。德军在蒙受重大损失后，严肃处置了那名泄密上校，自然顺藤摸瓜地怀疑到了与其有染的玛塔·哈丽身上。
1916年底，玛塔·哈丽仍没有丝毫收敛，她一边与法国驻马德里大使馆的陆军武官、法国情报局驻西班牙的负责人丹维纽上校相谈甚欢，一边又与德国驻马德里大使馆的武官、同样是德国情报机关驻马德里的负责人冯·卡勒上校打得火热。她以为自己瞒过了双方，却不知道他们都已经不再信任她，并对她实施了盯梢行动。而且玛塔·哈丽并不清楚在马德里饭店里，还有一位法国情报局的双重间谍——玛尔塔·莉莎，代号为“百灵鸟”。
“百灵鸟”聪明美貌，懂得多国语言，被派到西班牙来监视玛塔·哈丽。玛塔·哈丽并没有意识到潜在的危险，她很顺利地诱惑了冯·卡勒，但是这位谨慎的德国人除了绵绵情话，不谈一点与工作有关的事情。只有一次，在玛塔·哈丽的死缠硬磨之下，他才无奈地告诉她，因为要参加一项包括进攻摩洛哥的对非洲作战计划会议，周末不能来幽会了。
玛塔·哈丽立即将之告诉了丹维纽上校，上校正在调查德国海军向摩洛哥增调潜艇的事情，他对她送来的情报大加赞赏。而实际上，法国第二局已经从“百灵鸟”处得到了更为详细准确的消息，玛塔·哈丽费劲弄来的情报显得延后而含糊其辞。
此时的战争已经接近尾声，柏林企图延缓无可挽回的败局。协约国逐渐掌握了战场上的主动，德国决定放弃玛塔·哈丽这颗棋子，这无疑加速了她走向穷途末路之地的步伐。
