Обыск не дал никаких компрометирующих результатов. Обнаруженные флаконы с «чернилами для тайнописи» оказались обыкновенными противозачаточными средствами. У следователя П. Бушардона было очень мало фактов против «шпионки»: расшифрованные немецкие радиоперехваты об агенте Н21, перемещения которого совпадали с поездками артистки, данные банков о поступлениях на ее имя значительных сумм и все. Все оправдания Мата Хари, что деньги она получала в обмен на свои ласки, а информация противнику не имела ничего общего с военными тайнами, для следователя стали дополнительным пунктом обвинения. Он с первой минуты не скрывал своего отвращения к ее образу жизни. Для него Мата Хари была куртизанкой, грубой и вульгарной особой, а следовательно — опасной преступницей.
Восемь месяцев провела Маргарет в женской тюрьме Сен-Лазар. Она настаивала на своей невиновности, доказывала, как много ценной информации передала шефу французской разведки Ладу. Это стало еще одним пунктом обвинения — двойной агент. По ее делу были допрошены десятки высокопоставленных военных и гражданских чиновников. Все они единодушно отрицали виновность Маргарет, доказывали, что она никогда не пыталась добыть «сколько-нибудь полезной информации» и «ничто не испортило того хорошего впечатления об этой даме», которое у них сложилось.
Отношение следствия к Мата Хари было явно пристрастным. За просчеты и неудачи на фронте кто-то должен был заплатить. Слушание проходило при закрытых дверях, материалы следствия хранились в тайне, адвокату подсудимой разрешили присутствовать только на первом и последнем допросе. Голландское посольство так и не получило вразумительного ответа о вине своей гражданки, а ее официальные и личные письма были просто приобщены к делу.
Прокурор А. Морне в обвинительной речи был неумолим: «Мата Хари стала причиной гибели 50 тыс. наших солдат, не говоря уже о тех потерях, что понесли мы по ее милости на море». Таким образом, ее обвинили в «массовых убийствах», и Третьим французским трибуналом она была приговорена к высшей мере — расстрелу. Маргарет не могла поверить в это. Тюрьма стала для нее жестоким испытанием. Привыкшая к роскоши и поклонению, она плакала и увядала в ней, как южный цветок без солнца. Прошение о помиловании было отклонено, и это вернуло ей в последнее мгновение чувство собственного достоинства. Мата Хари даже пришлось утешать двух монашек, которые находились неотлучно при ней на протяжении всего следствия.
Старичок-адвокат Клюне был в отчаянии, что не смог защитить Маргарет. Он даже сообщил, что она ожидает от него ребенка. По французским законам, беременная женщина не может быть казнена. Мата Хари отказалась от этой последней спасительной соломинки.