No 13 de fevereiro de 1917 foi presa pelas autoridades francesas no seu quarto, no hotel Elysèe Palace, em Paris; ela pediu que lhe dessem tempo para tomar banho e mudar de roupa, mas depois de alguns minutos, voltou completamente nua e repartindo chocolates com os seus captores, num capacete prussiano que um de seus amantes alemães lhe dera anos antes, numa ação inútil para os tentar dissuadir. Foi acusada de espionagem, de ser uma agente dupla para a Alemanha e de ter sido a causa da morte de milhares de soldados. O seu amante, Vadim Maslov, falou dela em termos de "mulher aventureira", uma vez que soube de sua detenção.
Foi levada a julgamento na França, em 24 de julho de 1917, durante o qual vieram à tona muitas das mentiras e enganos que ela havia contado sobre a sua vida, o que foi usado para desacreditá-la.
Foi condenada por espionagem e traição sem provas conclusivas e baseadas em hipóteses não comprovadas que hoje (início do século XXI) seria insustentável num julgamento moderno. De facto, uma associação de sua cidade pediu ao Ministério da Justiça da França uma revisão póstuma do caso, mas este pedido não foi atendido.
Foi executada por um pelotão de fuzilamento na fortaleza de Vincennes, em 15 de outubro de 1917. A lenda sustenta de que o esquadrão teve que usar vendas para evitar que eles sucumbissem ao seu charme. No entanto, os factos comprovados são que ela se recusou a ter os olhos enfaixados e, que ao atarem-na ao poste, lançou um beijo de despedida a seus executores e que, dos 12 soldados que constituíram o pelotão de fuzilamento, apenas quatro tiros a atingiram: dois em suas pernas e dois em seu peito, um deles atingindo seu coração, causando a sua morte instantânea. O comandante, como foi organizado nestes casos, aproximou-se dela e deu-lhe um tiro de misericórdia na têmpora, para ter a certeza de que ela morrera. A notícia correu pelo mundo. Na verdade, há uma narrativa jornalística escrita pelo jornalista britânico Henry Wales que detalha esse dramático momento, descrevendo a expressão de seu rosto, a maneira como caiu e a disposição final de seu corpo no chão.
O seu corpo, que não foi sepultado, foi dissecado e usado nas aulas de anatomia dos alunos da Faculdade de Medicina Francesa, como foi feito com aqueles executados na época, mas a sua cabeça, embalsamada, permaneceu no Museu de Criminosos da França até 1958, ano em que desapareceu, supostamente roubada por um admirador.
