Margarethe Gertrude Zeller néven született 1876. augusztus 7-én a hollandiai Leeuwarden városában egy gazdag kalapos lányaként (később azt terjesztette magáról, hogy anyja indiai hercegnő volt, a táncot pedig hindu templomokban tanulta.) A kispolgári miliőt nehezen viselő lány tizenöt évesen elcsábította igazgatóját, ezért kirúgták az iskolából. Egy apróhirdetésre válaszolva feleségül ment egy katonatiszthez, akit hamarosan Indonéziába helyeztek. Két gyermeke született, de túl sokat nem törődött velük (az egyik kiskorában meg is halt). Margarethe minden útjába kerülő férfival flörtölt, részeges és goromba férje verte.
1902-ben elváltak, s az asszony egy huszártiszt szeretőjeként végre eljutott álmai városába, Párizsba. 1905-ben lépett fel először Mata Hari (a Hajnal Szeme) néven, elsöprő sikeréhez nem csak egzotikus szépsége járult hozzá, hanem az is, hogy a hétfátyoltáncot teljesen meztelenül fejezte be. Hamarosan általa is táplált legenda szövődött köré, csillagászati gázsikat követelt és kapott, ajtaja és ágya előtt a politika és az üzleti élet hatalmasságai álltak sorba.
Az egyenruhák iránt végzetes vonzalmat tápláló táncosnőt valószínűleg 1908-ban, egy berlini fellépésén szervezte be a német titkosszolgálat, s ő inkább kalandvágyból állt kötélnek, mert fizetsége egy titkárnőét sem érte el. Kiképzését egy állítólagos indiai útja alatt kapta, fedőneve H-21 lett, de szinte már a kezdetektől figyelte az angol és a francia titkosszolgálat. Arról megoszlanak a vélemények, hogy információi mennyire voltak jelentősek, az viszont biztos, hogy 1916-ban, talán mert érezte, hogy szorul a hurok körülötte, felajánlotta szolgálatait a francia hírszerzésnek is. A sors iróniája, hogy épp egy francia megbízatást teljesített, amikor 1917. február 13-án letartóztatták.
A hadbíróság az ellene felhozott mind a hét vádpontban bűnösnek találta és halálra ítélte. (A szigorú ítéletben szerepet játszhatott, hogy a háborúban a hátország morálja épp a mélypontra süllyedt, így a közismert, ráadásul idegen, holland nőn példát akartak statuálni.) A negyvenegy éves Mata Hari 1917. október 15-én a vincennes-i erődben állt a kivégzőosztag elé. Az egyik legenda szerint csókot dobott kivégzőinek, egy másik szerint az utolsó pillanatban széttárta kabátját - ami alatt természetesen semmit nem viselt -, hogy megzavarja a rá célzó katonákat. Holttestét senki nem kérte ki, így az anatómiai múzeumba került, ahonnan az 1950-es években eltűnt.
Halála után legendája tovább nőtt, a köztudatban ő lett "a" kémnő. Életéről több film készült, a legjobb Greta Garbóval, de megszemélyesítette Jeanne Moreau és egy pikáns változatban Sylvia Kristel, az Emmanuelle-filmek főszereplője is. A valódi Mata Hari iránt érdeklődők 1997 óta kereshetik fel a szülővárosában az emlékére nyílt kiállítást.
