川岛芳子此时方开始她真正的间谍生涯。她以满室子女的身份，假借“省亲”的名义到达东北，滞留在大连搜集有关北京的消息。因为川岛芳子女扮男装，颇具绅士风采，她的四处活动不但没有引起奉军的怀疑，还和奉军方面几个谍报机构的年轻人交了朋友。
日方获得张作霖及有可能返回东北的消息后，急令川岛芳子尽快弄清张作霖的返回路线和时间安排。接到上级的命令后，川岛芳子马上前往奉天府邸找张学良密谈。张学良忙得不可开交，便让副官郑某接见这位清室公主。川岛芳子施展了自己的女性魅力，郑某很快拜倒在她的石榴裙下，把自己了解到的张作霖将先于军队乘座慈禧花车回到奉天的机密消息告诉芳子。芳子立即向总部汇报。日军此前已通过潜伏在张作霖身边的特务知道了这一消息，但还是对川岛芳子的谍报工作和才能大加肯定，称她是“东方的玛塔?哈丽”，芳子的名声渐起，很快就有更多日方高层熟悉这个名字。
顺利完成“炸张作霖事件”情报交接任务的川岛芳子虽然为日军所青睐，但由于种种原因，特别是她那顽固不化的“满蒙独立”意识，使不少人对她心怀戒备，因而在很长一段时间里，东方的玛塔?哈丽遭到了日本谍报机关的冷落甚至怀疑。在大连形单影孤的芳子，因生父肃亲王之死又受到很大打击，心情抑郁愤闷，于是便搭乘日本商船回到日本。到了日本，川岛芳子没有直接回到养父在松田的乡间别墅。这时她恰巧认识了日本关东军谍报员、参与炸死张作霖事件的大村骏之弟大村洋，并被他接至日高的家中进行“洗脑”工作。
在日高的两个月中，大村洋强化了川岛芳子“把美色当作炸弹”的意识；同时又为她源源不断地灌输了“满蒙中的日本”这一观念。他对芳子说道：“满蒙必须独立，而这种独立必须以日本为中心来做才能成功。”经过短暂接触，大村的确为芳子潜在的“优良素质”所震动，对芳子另眼相看，于是便鼓舞她说：“男人能做的事情，女人没有不能做的。从这个意义上看，我认为你跟男人一样，甚至比男人还强。只要是为了满洲独立大业，什么事情都是对的，都应该去做！”经过这样一番“洗脑”工作，身怀“绝技”的川岛芳子又回到了大连，作为关东军特务处的一名特别人员活跃在中国的军政界。
张学良东北易帜以后，国家虽然在形式上统一了，但东北的局势变得更加动荡不安，日本一直密谋强占东北。“九?一八”事变爆发前，东北掀起了排日运动。东北保安部队总司令张学良因父亲张作霖被日军所杀，深仇大恨加上爱国热血，使他不断鼓舞东北人民奋起反日，支持青年学生营党结社，并制定“盗卖国上惩罚令”打击日本在东北的势力渗透，反对日本军国主义。东北接着又发生了中村震太郎大尉和井杉延太郎上士被害的案件。这个案件使日趋紧张的中日关系变得更加火爆，大有一触即发之势。面对中国人民的抗日风潮，日本军部为应付民间性反日活动，网结了一批狂热的日本青年和卖国汉奸，建立反动的满洲青年联盟，企图让他们与东北人民挑起事端，为日本入侵东北制造借口。
此时的川岛芳子已是日本军部的“骨干青年”，获得日本政府的信任，被派往大连调度满洲青年。川岛芳子有组织地训练这批满洲青年，在她的影响下，他们不再蛮干，而是有计划地窃取中国方面情报，使关东军掌握了大量张学良所部的驻兵、装备等方面的重要情报。可以说，川岛芳子的活动，对日方发动“九?一八”事变提供了大量有用的谍报，功劳不小。
随着事态的进一步恶化，终于爆发了震惊中外的“满洲事变”。就在事变发生后的10月上旬，芳子奉田中隆吉之命赶到奉天，投到板垣关东军高级参谋的指挥之下。由于芳子能自由地使用中日英三国语言，加上她那副清室王女的堂皇招牌，使她更便于在这个混乱时期得以尽力施为，成为一名日军不可多得的战地谍报官和多面间谍，为日军迅速稳定人心和与各大城市的租界搞好关系出了大力。
川岛芳子的功绩和计谋还体现在她帮清末皇后婉容成功抵达满洲的事情上。为了建立“伪满洲国”，进而进一步侵吞全中国，日本军方设法把清朝废帝爱新觉罗?溥仪从天津静园弄到旅顺大和旅馆。由于风声太紧，走的又太过匆忙，溥仪只能撇下爱妻秋鸿皇后，携同郑孝胥父子、祁继忠、吉田中心太郎、上角利一、工藤忠、大谷猛等人在关东军的护送下前往满洲。皇后知道后，在静园里歇斯底里，闹得天翻地覆。消息传到溥仪那里时，溥仪深感内疚，连夜恳求日方设法将皇后也接到满洲来。
日方为确保伪满政府的建立万无一失，就答应了溥仪的请求，但在人选上颇为头疼，考虑到中国的传统，此事不宜派男性接近皇后，派女性去更为合适。这时候，“川岛芳子”的名字映入了他们的眼帘。因为芳子也是满清皇室的一员，更容易接近皇后，而且芳子在皇姑屯事件、“满洲青年联盟”以及“九?一八”事变等重大活动中均有很好的表现，所以日方便把这一任务交给了芳子。
1931年11月，川岛芳子来到了天津日本租界内溥仪的住宅，她身穿下摆开口高而大的胭脂色旗袍，脚穿一双用同样的布做成的鞋，脸搽脂粉、唇涂口红，丰姿卓越，倾国倾城。芳子带来了一个看似身患疾病气虚体弱的朋友，把“她”安排在溥仪府里的一间屋子里住下。这个生病的友人，其实根本不是女子，而是一个男扮女装的美男子。
几天以后静园传出消息，说是肃亲王十四格格带来的朋友不幸病逝。皇后假装在灵前哀叹，川岛芳子痛苦流涕，好不伤感。中国素有落叶归根的传统，于是芳子便把友人装在棺材里，打算运回其家乡。一场棺材送活人的戏就此上演了——皇后躺在棺材里堂而皇之地被运出了静园，一路畅通无阻，很顺利地运达白河河畔，然后成功地坐上了一艘经过伪装的日本兵舰，直达大连。皇后除身上穿的一套衣服外没带任何东西，经过激烈的颠簸，终于平安到达了大连。皇后对芳子深感满意，还把母亲遗留下来的翡翠耳坠赠给了川岛芳子，以示感谢和纪念。
芳子此行巧施妙计，不费周折，便把皇后平安地护送到旅顺，让溥仪没有后顾之忧，为“满洲帝国”的创建立下汗马功劳，因此受到日本关东军的特别嘉奖，被授予陆军少佐军衔。之后川岛芳子更加春风得意，四处活动，为她日后成为安国军总司令打下了方方面面的基础。
可以说，日本侵略中国的一步步计划、挑衅，都有川岛芳子的份。“九?一八”事变并没有让川岛芳子过足“东方魔女”的瘾，早在事变之时，她就和田中蠢蠢欲动，想在上海掀起波浪。1932年1月10日，日本东北方面占领军给上海的特务总长田中隆吉发去一封长电，意在希望田中隆吉在上海挑起事端，把联合国的注意力吸引过去，关东军好趁机宣布东北独立。
芳子得此消息，立即开始计划，寻找时机在上海制造事端，好让远在东北的满清皇室顺利建立伪满政权，进而独立。川岛芳子用金钱诱使上海三友实业分公司的工人袭击日本山妙法寺的僧侣和信徒等5人。1月18日午后，几十名工人在三友实业公司门前突然袭击这几个日本僧侣，造成一死三伤。
事件发生后，芳子又雇佣侨居上海的日本人组成“支那义勇军团”，对三友实业公司进行报复袭击，致使那个拥有千名职工的三友实业分公司被放火烧毁，双方都出现了一些死伤者。日中两国间在上海的对立，立即达到一触即发的状态。
后来上海市长吴铁城曾就日本僧侣遭受袭击之事向日本驻上海的总领事馆道歉，并无条件答应了日方提出的处罚肇事者、负担伤亡者治疗赡养费、解散抗日团体等无理要求。但日本第一外遣舰队司令官盐泽幸一少将还是不管不顾，于1月28日下令陆战队开进日本警备区域外的上海闸北区。闸北地区守军第十九路军立时与日军展开激战。“一?二八”事变成功爆发了，川岛芳子“居功至伟”。
事变发生之后，川岛芳子一直留在上海继续多方活动，搜集情报。她曾只身潜入吴淞炮台，查清炮台炮数；曾在上海百老汇结识孙科，捕捉到蒋介石下野的消息；曾设法到十九路军摸底，弄清蔡廷锴坚决抗日的意向。所有这些情报，都对日本军部制订战略部署提供了重要意义。日本军部更信任川岛芳子了。
由此可以看出，川岛芳子的魅力的确不小。她先后将国民政府中央政治会议秘书长唐有壬和国民政府行政院院长孙科拉下了水，害得他们一个遭通缉，一个被弹劾。在危急时刻，她又向他们伸出援手，赢得他们的感激之情。这个继承了清室血统、懂中日英三国语言，天生一副机灵头脑的川岛芳子，作为一个进行阴谋活动的媒介体，确实是日本“战争机器”的最佳润滑剂，难怪日本军部将这位东方魔女视为不可多得的特殊人才，对她宠任有加。
伪满政权成立后，日方为了稳定政权，在日伪政府中安插了许多亲信大员，其中就包括川岛芳子——她被任为“安国军总司令”。1933年2月，川岛芳子以“安国军总司令”的身份参加热河战役，日本朝日新闻报用两个版面刊出了川岛芳子的报道，川岛芳子身穿制服女扮男装的照片被登载在报纸中间，英资飒爽。一时间，川岛芳子成为日本士兵崇拜的女性偶像。
抗日战争爆发后，随着日本在中国战场的拉长，日本国内不堪重负，兵力、财力已呈捉襟见肘之势。闲居在东京的川岛芳子得知这一消息后，自告奋勇给日本首相东条英机的夫人胜子打电话，说：“有一件重要事情，请一定要我见东条阁下。请一定把我护送到日军的最前线。关于蒋介石军队方面，有许多将军是我的熟人，您就不用担心了。我一定要使日中和谈早日实现。”东条英机在赞赏芳子的同时，派她到北京搜集有关中日和谈的情报。
川岛芳子在北京四处展开活动，并在此时和军统特务头子戴笠结识。正当川岛芳子和军统特务眉来眼去、关系暧昧之际，由于形势急转直下，国民党与日本军方秘密达成了“和平相处，共同剿共”的协议，川岛芳子便不知不觉地被军部遗忘了。川岛芳子的社交手腕最终没有成功。直到此时，这位昔日骄纵握权的“东方魔女”才渐渐失去她的舞台，等待着她的，只剩下历史对她的惩罚。
1945年8月15日，日本正式宣布无条件投降，川岛芳子已不可能再依附日方完成自己匡复清室的理想。在她的面前高悬着的，是国民政府的捕杀利剑。然而川岛芳子并没有离开北平城，仍住在她的东四九条三十四号家中，不听别人的劝告。这在后来川岛芳子是否真被处死的迷团中，一直是一个令人猜测的疑点。
果不其然，日本投降不到两个月，川岛芳子就被捕了，被关押在北平北城的民国第一监狱。据说由于军统局的特意关照，川岛芳子没有戴手拷，而且坐的是一人一室的牢房，待遇自然也不差。一直被关押到次年7月，她才被移送至河北省高等法院，等候审讯。
1946年7月3日，国民政府对川岛芳子的起诉书被刊登于《中央日报》，主要内容是：
金壁辉，即川岛芳子，亡清肃亲王之女，成长于日本；“九?一八”事变后返国，往来于平、津及敌国、满洲之间，从事间谍活动；曾任伪满皇宫女长官及伪满留日学生会总裁，溥仪游东京时负责接待；组织伪安国军；“七?七”事变后，向敌建议利用汪精卫组织伪南京政府，反抗祖国，延长战祸；在日本用文字和广播，发表我军政内情；图谋复兴满族，统一中国，唆使伪帝溥仪迁都北平。
这份起诉书实际上就意味着国民政府将川岛芳子当作中国人来审判。而问题的焦点就在于川岛芳子的国籍。如果判她是中国人的话，那她就要被依据《惩治汉奸条例》和《特种刑事案件诉讼条例》来审判，如果判她是日本人的话，那她就要被推上日本战犯法庭。
1947年10月8日，河北省高等法院对川岛芳子进行了公审。法官在拥挤的人潮的围观之下做出正式判决，判定川岛芳子是叛国者，并处以死刑。判决文称：
一、被告虽有中国和日本双重国籍，但其生身父亲为肃亲王，无疑是中国人，应以汉奸罪论处；二、被告同日本军政要人来往密切，在上海“一?二八”事变中女扮男装进行间谍活动，引发了“上海事变”；三、被告参与了将溥仪及其家属接出天津，为筹建伪满进行的准备工作；四、被告长期和关东军往来，并被任命为“安国军司令”。
判决书首先确定了川岛芳子的中国人身份，这是她罪行的起点。然而这个起点却涉及到一段复杂的历史，一段坎坷不幸的人生。清室遗族与民国政府始终关系不睦，民国初立，北洋军阀混战，黎民流离，而皇族仍坐享厚禄，自然招怨，最后冯玉祥撕毁民国的协议，以致皇族人人自危，这种改朝换代的无情无疑给日本侵略者提供了一个插手的机会。所以，川岛芳子其实只是被利用的工具。
庭上的川岛芳子面施白粉，梳着油亮的短发，穿一件黑呢大衣，毫无愧色地走到被告席上。在受审中，她狡词巧辩，凡对自己有利的问题，即作出回答；对自己的罪行却讳莫如深，反问庭长：“你是怎么知道的？”还大言不惭地说：“我衷心热爱中国，尽管加入了日本国籍，还是发誓忠于清王朝。”
由于芳子身世的特殊，和她所从事的特殊的“职业”，公开审判时围观者非常多，一度造成搔乱，南京的《中央日报》和东京的《朝日新闻》事后对此作了如下报道：
“河北省高等法院于8日公审金璧辉（川岛芳子）时，法庭上出现了严重的混乱局面。因为是公审东方的玛塔?哈丽、著名女间谍川岛芳子，三千多名看热闹的人一齐拥进了小小的法庭。狂热的人群有的把窗玻璃挤碎，有的把椅子踩坏，造成一片混乱。由于无法控制秩序，公审不得不改期。”
可以想见，当时国人对于川岛芳子间谍案的兴趣有多浓厚了。后来，经过多次审讯，1947年10月22日，河北省高等法院正式以汉奸、间谍罪判处金璧辉死刑。民国政府在法庭还进行了公诉，向法院出示了三件物证，第一件是一张川岛芳子身着戎装的照片，这是她作为日本帮凶安国军司令的确凿证据；第二件物证是刻有司令字样的四方大印；第三件是日本作家村松梢风写的《男装丽人》和《满洲的黎明》两本小说。
最后这次审讯中，川岛芳子穿着黑呢子大衣、绿色西装裤、黑色皮鞋，面施脂粉，短发光亮，显然经过了精心的修饰。她还刻意地左顾右盼，频露笑容，来掩饰自己内心的不安。法庭的最终判决是这样的：
金壁辉通谋敌国，图谋反抗本国，处以死刑，剥夺公权终身，全部财产除酌留家属必需生活费外全部没收。
据说，当川岛芳子听到了对她的判决后，“面容陡变，眼泪盈眶，然犹故作镇静，低头干咳不已”。
被判处死刑后，川岛芳子开始否认自己的中国人身份，她不断地给养父川岛浪速和秘书小方八郎写信，要求他们尽快为自己搞到日本国籍的有效证明，这样她就可以再通过律师的辩护，把自己从汉奸的法庭拉到审判日本战犯的法庭。
川岛浪速在给川岛芳子辩护律师的信中进行了解释，说：“亲王与我情胜手足，因为同情我家中无子，所以亲王才在1912年将年仅6岁的幼女芳子送至东京，从此芳子就成为了我家的孩子。”然而正因为这份由养父提供的材料，使得川岛芳子在法庭上再也无力为自己的身世辩解。
至此，等待着川岛芳子的，就只剩那最后的枪声了。除非有奇迹发生。而奇迹到底有没有发生呢？
川岛芳子被关押在北平第一监狱，第一监狱位于北平南端，周围是乱坟地和农田，处于北平外城的边缘。一走进丞相胡同，就可以看到沿外城墙修建的这座监狱高大的灰包围墙。这里以及河北省高等法院、高等检察院的治安都由北平西区宪兵队负责。西区宪兵队长是十九团二营四连少校连长谭良泽。
1948年3月24日，谭良泽接到11战区司令孙连仲的密令：“明天早晨拂晓处决金壁辉。准6点执行。行刑前必须严守秘密，要牢记前次公审金壁辉秩序无法维持的严重局面。事前做好充分准备，警戒与治安由西区宪兵队负责。”
谭良泽不禁想起不久前在河北省高等检察院公审川岛芳子的情景，真是混乱无比。平时这条大街上除了往来的车辆，很少有人经过。可是公审川岛芳子那一天，电影公司的摄影师还用卡车运来了大型摄影机；全城四面八方的市民拥向检察院，出现万人空巷的场景；检察院外有人爬上墙，有人爬上树，有人登上停在马路旁的汽车顶，有人站在房顶上，真是拥挤得无立锥之地。乱成一团的群众，甚至挤坏了一辆停在附近的汽车。当川岛芳子被法警带到审判庭上时，为了能看到川岛芳子，人流如同潮水一样拥进来，宪兵队和警察都无法控制秩序。检察院楼房已经岌岌可危，首席检察官陈广德不得不宣布公审延期举行。为了避免出现上次法庭混乱的情况，这次谭良泽所属部队做好了充分的心理准备，务必保证次日的处决顺利进行。随着时间一点点流逝，25日的凌晨终于到来了。
先来看看3月26日多家报纸发表的同一口径消息的摘录：
“3月25日凌晨，记者们获悉大名鼎鼎的日军密探女汉奸金壁辉执行死刑的确切消息后，即不顾夜间街道的黑暗，急忙赶到关押金壁辉的第一监狱门前集合，准备报道现场情况。这次法庭也采取了出乎常规的行动，为了将处决清朝末裔女子的情况传播到社会上，特请摄影记者也前来拍现场情况。三十多名新闻记者赶到第一监狱，在紧紧关闭着的铁门外等了又等，却看不出有打开铁门的任何迹象。不管是推门、敲门、还是叫门，都毫无反应。时间不停地过去，大家十分焦急。到清晨4点左右，监狱长总算是从里面略略打开了铁门，但他只允许三十多名记者中的两名外国记者进去，其他中国记者严禁入内。据说这是一个叫吴盛涵的审判官下达的命令。但这决不像他个人的主意。尴尬的记者还不死心，他们沿着监狱高高的围墙转了一圈，企图找到一个入口，结果只能是徒劳。黎明6点钟，突然听到从关押川岛芳子的牢房附近传来一声沉闷的枪声。天大亮时，第一监狱的大门前，挤满了看热闹的人群，不一会儿，监狱里出动了约两百名警察，他们将看热闹的人群赶到远离大门的地方。接近中午时分，大门里面才有些动静，监狱又重又厚的大门打开了，从里面抬出一副担架，担架上就是处死的女囚——川岛芳子的尸身。由于事先日方请求按日本人的风俗安葬，法院根据这一要求，决定把遗体交给战前就住在北京的日本长老古川大航。古川揭开席子一看，只见她蓬头散发，从脸到脖子全是血污和泥土。一代天骄金司令的仪表已烟消云散，毫无踪影。以古川长老为首的两三个日本人，立刻将事先准备好的白布铺在地上，把遗体紧紧裹住，再盖上绣着五颜六色花样的布。长老简单地念了几句经，便将遗体抬到卡车上。下午两点多钟，即运往朝阳门外日本人墓地火化。”
——回到3月25日当天，当日人们聚在一起就谈论金壁辉事件，很多老百姓都不相信死者是金壁辉。第二天，报上刊登了各家报社联合给司法当局的抗议书。确实，行刑不让记者亲睹，而且尸身也糊糊不清，实在难以叫人信服。
另有日本作家渡边龙策在他写的《女间谍川岛芳子》一书中这样写到：
报道引出了各种疑问。过去一直把川岛芳子作为杀一儆百的典型，大肆进行宣传，甚至将公审的部分情况拍成纪录片。为什么最为关键的行刑场面，却搞得如此神秘？处理得那么简单？为什么无视惯例，连新闻记者都被赶出现场？为什么只许两名外国记者进入现场？为什么将面部等处弄那么多血污和泥土，以致难于辨认人的面目？为什么单单选择辨认不清面孔的时间执行死刑？
川岛芳子的死在社会上引起哗然后，第一监狱当局通过监狱女看守发表了一篇谈话，公布了川岛芳子行刑前后的情况：