另一种说法是，她直接找到法国特务机关负责人，向他毛遂自荐，不过该负责人一开始并没有当真。随着战争进入相持阶段，双方开始大打间谍战。与德国谍报机关一样，法国谍报机关也开始找她。就这样，玛塔·哈丽又成了法国间谍。为了好好表现，玛塔·哈丽开始大量向法国方面传递德军消息。结果，很多德军成了玛塔间谍成绩的牺牲品。

　　随着时间的推移，玛塔·哈丽将双重间谍做得十分到位，在德国与法国两国间左右逢源。正如《间谍大师：阿兰·杜勒斯》一书的作者詹姆斯·史劳德斯很多年后对她的评价：“从任何角度来看，她的工作都非常出色。”

　　1917年1月，玛塔·哈丽又开始了巡演，她抵达了中立国西班牙。她的到来，令西班牙人痴狂。在演出获得成功的同时，她的间谍活动仍在进行。她将西班牙政府的一些动态，源源不断地发往柏林。但她的活动已经被英国谍报机构监视，因为英国与法国同属协约国阵营，英国方面立即将她的动向通报给法国反间谍机构。

　　就在此时，西班牙马德里的德国军队向德国柏林发送了一封电报。法国情报人员截获了这份情报，并破译了全部内容，密电写道：“通知H21速回巴黎，并支付1.5万法郎费用。”巧合的是，玛塔·哈丽这时竟突然中断在西班牙的演出，匆匆返回法国。综合英国方面提供的资料，加上自己的一番调查，法国谍报机关很快判定出H-21即是玛塔·哈丽。

　　1917年2月13日当玛塔·哈丽一进入法国，他们便将其在巴黎的酒店寓所中逮捕。

　　10月15日，面对荷枪实弹的行刑队，哈丽头戴一顶宽檐黑帽，手戴一副黑色的羊皮手套，脚穿着一双漂亮的红舞鞋，若无其事地踏上了最后的死亡之旅。她面对11个行刑队员的枪口，笑着对领刑的军官说：“这是第一次有人肯付12法郎占有我。”（在法语中，“法郎”和“子弹”是同一词汇。）她挺直了胸脯，从容地等待死神的降临，年仅41岁。