Đương sự bị bắt giữ vào ngày 9/4/2003 và cuộc điều tra sơ khởi đã đưa ra ánh sáng một số tình tiết đủ để các nhà bình luận thời sự mệnh danh Leung là “Mata Hari Trung Quốc” (Mata Hari: tên nữ điệp viên lừng danh trong Thế chiến I).
Năm 1982, với uy tín của một nhà vận động chính trị sáng giá, từng gây quỹ ủng hộ đảng Cộng hòa, Leung được Cục Điều tra liên bang Mỹ (FBI) tuyển dụng làm điệp viên, với mật danh là “Parlor Maid”. Nhiệm vụ chủ yếu của Leung là cung cấp cho FBI những thông tin cơ mật của Trung Quốc trên nhiều lãnh vực khác nhau. Người được FBI giao trách nhiệm móc nối và bố trí công tác cho Leung là một viên chức phản gián đặc trách Trung Quốc tên là James J. Smith, năm nay 61 tuổi, làm việc tại Cục này từ tháng 10/1970 đến tháng 11/2000.
Katrina Leung trong một lần trả lời phỏng vấn báo chí.
Việc móc nối Leung hoàn tất vào năm 1982 với mức thù lao là 1,7 triệu USD. Tuy nhiên, mối quan hệ giữa hai người không diễn ra đúng như FBI dự đoán. Với sắc đẹp khả ái, nữ điệp báo của FBI sớm trở thành tình nhân của Smith. Cho đến một ngày, Cơ quan Phản gián phát hiện Leung lấy cắp hai tài liệu mật trong cặp da của Smith. Trong hai tài liệu bị đánh cắp, một liên quan đến cuộc điều tra của FBI mang mật danh “Royal Tourist”, một là công văn mật về “truyền thông điện tử”.
FBI đã ra lệnh bắt giữ Leung vào ngày 9/4/2003 và kết tội Leung đã phản bội quyền lợi của nước Mỹ bằng cách cung cấp tài liệu mật cho phía Trung Quốc. Nếu kết quả điều tra xác nhận sự thật đúng như lời cáo buộc của FBI, Leung có khả năng nhận lãnh một bản án đến 50 năm tù. Ngày 20/6, bị cáo được tại ngoại hậu tra sau khi nộp một khoản tiền thế chân lên đến 3 triệu USD. Đối với nữ triệu phú này, khoản tiền trên không đáng là bao, song để ngăn ngừa việc đương sự có thể đào thoát về Trung Quốc, cơ quan điều tra buộc Leung không được ra khỏi nhà, ngoại trừ trường hợp đi gặp luật sư hoặc ra hầu tòa.
Đồng thời với quy định này, Leung phải đeo thường trực một chiếc vòng kiểm soát điện tử, giúp cơ quan thụ lý vụ án theo dõi được mọi hình thức di chuyển của đương sự. Về phần James J. Smith, mặc dù đã về hưu từ năm 2000, ông cũng bị khởi tố về tội thiếu trách nhiệm, để hồ sơ mật lọt vào tay điệp báo nước ngoài, và có thể nhận lãnh một bản án đến 40 năm tù nếu kết quả điều tra chứng minh ông có tội. Smith cũng được tại ngoại sau khi nộp khoản tiền thế chân 250.000 USD.
Vụ án “Mata Hari Trung Quốc” tốn khá nhiều giấy mực của các phương tiện truyền thông và sau gần hai năm điều tra của các cơ quan tư pháp Mỹ, đã đi đến một kết thúc... "có hậu". Ngày 7/1/2005, Tòa án liên bang ở California đã đưa ra quyết định miễn tố cho Leung, vì lý do không tìm ra chứng cứ đương sự chuyển về Trung Quốc các tài liệu mật lấy từ cặp da của James J.Smith. Leung được miễn tố thì Smith cũng không có tội, ngoại trừ sự sơ suất trong lúc làm nhiệm vụ. Giả thuyết được đưa ra để giải thích cho quyết định của Tòa án California: Phải chăng chuyện Leung chuyển hồ sơ mật ra nước ngoài là có thật, nhưng FBI - và cao hơn nữa là Bộ Tư pháp và Chính phủ Mỹ - không muốn bị mất mặt vì một sơ suất quá sơ đẳng nên né tránh việc kết án đương sự? Và có chăng một thương lượng ngoại giao?