A hollandiai Leeuwarden városában egy gazdag kalapos lányaként született, bár később azt terjesztette, hogy egy indiai hercegnő volt az anyja, ő maga pedig templomokban tanulta a táncot. Amikor 14 éves volt, apja meghalt, őt nagybácsikája vette magához. 15 évesen viszonyt kezdett iskolaigazgatójával, ezért rövid úton kirúgták a tanintézményből. Mivel menekülni akart a szűk levegőjű városkából, egy apróhirdetésre válaszolva férjhez ment a gyarmati hadsereg egy skót származású tisztjéhez, akivel 1899-ben Indonéziába került. A házasságból megkötése után fél évvel egy fiú, nem sokkal később egy lány született. A gyerekek kiskorukban rejtélyes mérgezést kaptak (valószínűleg anyjuk hibájából), a nagyobbik meg is halt. A kapcsolat nem csak ezért romlott meg: a feleség minden útjába kerülő férfival flörtölt, a részeges és goromba férj pedig verte nejét. Aki ennek ellenére végzetes hatással volt rá: a legenda szerint szerelmi hevületében még az asszony egyik mellbimbóját is leharapta, ezért lépett fel később Mata Hari mindig lefátyolozva avagy virágfüzérrel nyakában. Kivégzése előtt azonban - mivel a rabruhát nem szerette, ezért inkább meztelenül járt cellájában - az ügyész megállapíthatta, hogy kebleinek semmi hibája.
A házasság 1902-ben válással ért véget, Margarethe pedig egy huszártiszt szeretőjeként álmai városába, Párizsba került. 1905-ben lépett fel először a Trocaderóban, immár Mata Hariként (a név a Fény Szemét jelenti). Sikere mindent elsöprő volt, nem csak egzotikus szépsége miatt, hanem mert a hétfátyoltáncot rendre teljesen meztelenül fejezte be. Hamarosan általa is táplált legenda szövődött köré, ő maga csillagászati gázsikat követelt és kapott, ajtaja és ágya előtt a politika és az üzlet legnagyobb hatalmasságai álltak sorba. Feltételezések szerint 1908-ban egy berlini fellépésén szervezte be a német titkosszolgálat, Mata Hari inkább kalandvágyból, semmint az anyagi haszon reményében állt kötélnek, hiszen fizetsége egy titkárnő keresetét sem érte el. Kiképzését egy állítólagos indiai útja alatt kapta, fedőneve a H-21 lett. Kapcsolatai folytán sok értékes adatot szállított, ám felhívta magára az angol titkosszolgálat figyelmét is, akik megfigyelés alá helyezték. Arról megoszlanak a vélemények, az I. világháború alatt továbbított hírei mennyire voltak jelentősek, az viszont biztos, hogy 1916-ban, talán mert érezte, hogy szorul a hurok körülötte, váratlanul felajánlotta szolgálatait a francia hírszerzésnek is. Az angolok és a Deuxieme Bureau ennek ellenére tovább figyeltette, ironikus módon éppen egy francia megbízatást teljesített, amikor 1917. február 13-án letartóztatták. Megbízói megtagadták, és bár mindvégig tagadott (csak annyit ismert el, hogy néhány elavult információt átadott egy német tisztnek), mind a hét vádpontban bűnösnek találták és 1917. október 15-én Vincennes-ban kivégezték. A legenda szerint a sortűz előtt egy zsebkendőt dugott fűzője alá, a vérrel átitatott kendőt soros szeretőjének szánta búcsúajándékul. Halála után legendája tovább nőtt, a köztudatban ő lett "a" kémnő. Életéről több film is készült, a legjobb Greta Garbóval, de megszemélyesítette Jeanne Moreau és egy pikáns változatban Sylvia Kristel, az Emmanuelle-filmek főszereplője is. 1997-ben szülővárosában, Hollandia legészakibb és legősibb csücskében, Frízföld fővárosában kiállítás nyílt az emlékére.