Margaretha Geertruida Zelle 1876. augusztus 7-én a hollandiai Frízföldön fekvő Leeuwarden városban született egy kohóépítő munkás és egy háztartásban dolgozó asszony egyetlen leánygyermekeként. Margarethanak három idősebb fiútestvére volt. Gyermekkorának nagy részét a város egyik régi patrícius házában töltötte, ahová a család 1876-ban költözött. Édesapja egy sapkaüzletet működtetett a városban, de üzleti spekulációk után 1891-ben csődbe ment. Ugyanebben az évben meghalt az édesanyja is, ekkor a család Amszterdamba költözött. Édesapja a kikötővárosban újból megnősült és új felesége pénzéből egy kis petróleumboltot nyitott. Hamarosan Leiden város óvónő-képző intézetébe íratták be Margaretha-t, aki azonban abbahagyta tanulmányait és egy Hágában élő nagybácsihoz költözött.
1895-ben Hágában, a Nieuws van den Dag című újság hirdetése útján ismerte meg későbbi férjét. Az addig agglegényként élő John McLeod 20 évvel volt idősebb Margaretha-nál. A férfi katonatiszt volt. A jelentős korkülönbség ellenére Margaretha-t teljesen magával ragadta a férfi fellépése, kitüntetései és egyenruhája.18 éves korában, 1895. július 11-én feleségül ment McLeodhoz. Hét hónappal az esküvő után született meg első gyermekük, Norman John. 1897-ben a család a Prinses Amalie nevű gőzös fedélzetén Batáviába, Jáva szigetére költözött. McLeod az egyik jávai kisváros holland helyőrségének vezetője lett. 1898-ban megszületett leányuk, Luisa Johanna. A kezdetben boldog családi idill hamarosan rémálommá változott, McLeod nem tudta levetkőzni természetét, rengeteget ivott és gyakorta bántalmazta feleségét és gyermekeit. A pár elidegenedett egymástól. 1899. július 8-án mérgezés következtében meghalt a család egyetlen fiúgyermeke, John, míg Luisa Johanna életét csak a gyors orvosi segítség mentette meg. Pár héttel később a kolerában haldokló főbérlőjük beismerte, hogy mérget tett a gyermekek ételébe, hogy a McLeod által a hozzátartozóira kimért büntetéseket megtorolja. Norman John halála végérvényesen tönkretette a házasságot.
Válása után, 1903-ban Párizsba ment és megkezdődött táncosnői pályafutása. Felvette a Mata Hari (Hajnal Szeme) művésznevet, és hamarosan mint a keleti, belső élményeket kifejező táncok művésze vált ismertté. Különösen meztelenül előadott táncai vonzották sok tisztelőjét a francia fővárosba, akik a Mata Harival töltött egyetlen éjszakáért frankok ezreit fizették ki. Fantasztikus gyorsasággal emelkedett karrierje: Madrid, Berlin, Monte-Carlo, Bécs, sőt még Kairó is a lába előtt hevert, hódolói közé tartoznak arisztokraták, katonatisztek, sőt uralkodóházak tagjai is. Mata Hari sohasem tagadta, hogy leginkább a katonatisztekhez vonzódik, sőt sokszor hangoztatta: "Szeretem a katonákat. Inkább vagyok egy szegény katonatiszt szeretője, mint egy gazdag bankáré." Hódításai közé tartozott például a Német Birodalom trónörököse, a külügyminiszter és Brunswick hercege is, akik rajongásukat természetesen anyagiakkal is kiegészítették, így hamarosan Európa legjobban fizetett kurtizánjává vált, akinek előlelő pártfogói egymást túlszárnyalva vásárolták a házakat, bundákat, ékszereket. Az ünnepelt táncosnő több nyelven is beszélt, s mivel semleges országból származott, szabadon utazgathatott Európában.
1914-ben, az első világháború kitörésekor Mata Hari Berlinben tartózkodott. Onnan Hollandiába menekült és hamarosan anyagi nehézségei támadtak. De a német konzul 20 000 márkát ajánlott fel neki, ha Franciaországban kémkedik, mivel sok befolyásos személyt ismert és keresztülutazta egész Európát. 1916-ban, Franciaországban ugyancsak kémkedésre kapott ajánlott a francia titkosszolgálattól. De a francia titkosügynökök Madridban megfigyelték, amikor Mata Hari látogatást tett a német katonai attasénál. Párizsba való visszatérése után azonnal letartóztatták. Kihallgatásakor hiábavalóan bizonygatta, hogy csak ki akarta kérdezni az ezredest; a francia hadbíróság Németország javára végezett kémkedés miatt halálra ítélte, 1917. október 15-én tizenegy lövéssel ölték meg.
Halála előtt a következőket mondta: „A halál semmi, és ami azt illeti az élet is. Meghalni, aludni, a semmibe eltűnni, mit számít ez. Minden csak illúzió!”. Mivel a holland kurtizánt senki nem volt hajlandó saját költségén eltemettetni, holttestét a Sorbonne Egyetem orvosi karának rendelkezésére bocsátották.