В Париже Мата Хари вновь сошлась со своим давним любовником Жаном Аллором. Он был лейтенантом кавалерии. После тяжелого ранения он стал служащим в военном министерстве.
В 1916 году у французской контрразведки появились первые подозрения на ее причастность к работе на Германию. Узнав об этом, Мата Хари сама явилась во французские спецслужбы и предложила свои услуги французам, случайно назвав, между прочим, имя одного из своих любовников, хорошо известного ее собеседникам в качестве немецкого агента-вербовщика. Капитан Ладу из контрразведки ее перевербовал. Французская разведка отправила ее в начале 1917 года с миссией в Мадрид, и подозрения в шпионаже, по заявлению французских контрразведчиков, окончательно подтвердились: был перехвачен радиообмен немецкого агента в Мадриде с центром, где тот указал, что перевербованный французами агент Х-21 прибыл в Испанию и получил от немецкой резидентуры указание вернуться в Париж. Есть версия, что радиоперехват был специально рассекречен немцами, чтобы избавиться от двойного агента, но она кажется маловероятной.
В Париже Мата Хари познакомилась со штабс-капитаном 1-го Особого полка 1-й Особой бригады Русского экспедиционного корпуса во Франции Вадимом Павловичем Масловым. Она даже утверждала, что влюбилась в него сильнее, чем в какого-либо иного мужчину за всю свою жизнь. Когда шесть месяцев спустя ее арестовали в Париже, в ее комнате нашли разные фотографии Вадима и его визитную карточку (визитные карточки Мата Хари собирала и хранила всю свою недолгую жизнь). На одной из фотографий, хранящейся в архиве французских спецслужб, есть собственноручная надпись Маты Хари: «Виттель, 1916 – воспоминание об одних из самых чудесных дней моей жизни, проведенных с моим Вадимом, которого я люблю больше всего на свете». Интересно, что позднее из-за ранения Маслов одно время носил повязку на глазу. И эту повязку Мата Хари старательно пририсовала на фотографии чернилами.
Мата Хари сняла в Париже квартиру на фешенебельной авеню Анри Мартэн. Неожиданно в середине августа она узнала, что ее друг, штабс-капитан русской армии Маслов, проходит курс лечения на курорте Виттель в Вогезах. Этот курорт располагался в запретной прифронтовой зоне, поэтому Мата Хари пытается через лейтенанта Жана Аллора из военного министерства получить специальный пропуск, дающий право на въезд туда. Лейтенант посоветовал ей обратиться к его другу в военное бюро по делам иностранцев. А там Мата Хари по ошибке открыла не ту дверь и попала в бюро капитана Жоржа Ладу, руководителя французской контрразведки. Не исключено, правда, что эта встреча была заранее подстроена, и Аллор намеренно отправил Мату Хари к Ладу.