Su verdadero nombre era Margaretha Geertruida Zelle, había nacido en los Países Bajos en 1876. Su padre era un hombre de negocios holandés y su madre, de ascendencia javanesa, murió siendo todavía joven. El padre suplió la falta materna con excesivos cuidados de la joven Margaretha, que destacaba por su belleza desde muy temprana edad.

En 1895 respondió a un anuncio de solicitud de esposa publicado por un oficial del ejército holandés. Se casaron ese mismo año cuando ella tenía 19 años y él 39, y se trasladaron a las Indias Orientales adonde él fue destinado. Esto permitió a Mata Hari tomar contacto con la cultura de aquel continente. Perdieron su segundo hijo por un extraño envenenamiento y ello supuso un duro golpe para la familia que no fueron capaces de superar. El marido buscó refugio en la bebida y se ausentaba frecuentemente del hogar. Ello llevó a Mata Hari a tomar sus primeros contactos con la cultura javanesa y con las técnicas amatorias orientales, lo que le proporcionó fama como cortesana.

De regreso a Amsterdam, el militar fue absorbido por el alcoholismo y ella consiguió el divorcio aduciendo malos tratos, y se fue a París donde ejerció como bailarina exótica. Sus espectáculos fueron todo un éxito. Danzaba las sagradas danzas indias y todos quedaban extasiados ante su belleza, que en realidad podía entenderse como exótica. El prestigio de sus danzas y el encanto seudo-oriental de que había sabido rodearse influía sobre sus admiradores con lo que su belleza era más bien producto de la imaginación.

Su fama como bailarina crecía, pero el paso del tiempo le iba haciendo perder sus encantos, y para seguir llevando el nivel de vida de años anteriores, recurrió a ejercer con más asiduidad como cortesana.

La trama de espionaje en la que Mata Hari se vio envuelta fue bastante enrevesada. Cuando estalla la Primera Guerra Mundial en julio de 1914 ella está en Berlín, donde baila en un "music hall" y tiene por amante al jefe de policía de la ciudad. Unos meses después aparece en Holanda, en marzo de 1915 sale para Francia y poco después está en Madrid. Un capitán inglés llamado Fernand Tuohy bailó con ella en un "music hall" de Madrid, al mismo tiempo que se ponía en contacto con agentes abiertamente partidarios de Alemania. Es entonces cuando sus actividades comienzan a despertar sospechas para los servicios de inteligencia aliados y a partir de entonces la mantendrán estrechamente vigilada.

En 1917 fue detenida en Francia acusada de espionaje, de ser una agente doble para Alemania y de haber sido la causa de la muerte de miles de soldados. Fue declarada culpable.

El día de su captura, pidió que se le diera tiempo para ducharse y cambiarse, pero al cabo de unos minutos, regresó completamente desnuda y repartiendo bombones a sus captores, aunque no le sirvió de nada su estrategia. Fue ejecutada por un pelotón de fusilamiento el 15 de octubre de 1917.

Su cuerpo, que no fue enterrado, se empleó para el aprendizaje de anatomía de los estudiantes de Medicina, como se hacía con los ajusticiados en aquella época, pero su cabeza, embalsamada, permaneció en el Museo de Criminales de Francia hasta 1958, año en el que fue robada, posiblemente por un admirador.