Danseuse exotique, demi-mondaine, espionne et amoureuse, Jeanne Moreau trouve dans ce film un personnage dense aux multiples facettes. Et comme l'annonce le titre du film, elle en est le personnage central, reléguant à des apparitions épisodiques ses partenaires masculins Jean-Louis Trintignant et Claude Rich.
Agent au service de l'Allemagne durant la première guerre mondiale, la célèbre espionne Mata-Hari soutire et vole des renseignements militaires en séduisant des officiers français un peu candides.
Réalisé par Jean-Louis Richard sur un sujet et avec des dialogues de François Truffaut, le film nous apparait le plus souvent comme celui de ce dernier, par sa sensibilité, ses moments de grace, sa fantaisie...et quelques caméos des membres de sa famille de cinéma.
Femme mystérieuse et de tempérament, séductrice irrésistible, Jeanne Moreau est aussi, en certaines séquences, une héroine d'aventures. Elle est à l'image d'un film attachant sinon brillant, libre de passer de la comédie au drame sentimental, de l'intrigue romanesque à la tragédie.