Luxembourg omfattet opprinnelig både det nåværende storhertugdømmet og den belgiske provinsen av samme navn. Fra 963 trådte Luxembourg frem som en selvstendig politisk enhet. I 1354 ble landet hertugdømme, kom 1443 under Burgund, 1477 til Habsburg, 1555 til Spania, mistet 1656 en del av sitt område til Frankrike, kom 1723 under Østerrike, 1795 til Frankrike og ble 1815 storhertugdømme og tysk forbundsstat under Vilhelm 1 av Nederland. I 1830 sluttet Luxembourg seg til Belgia, men området ble delt 1838, slik at den vallonske del kom under Belgia. I 1866 ble det utskilt av Det tyske forbund (men var fremdeles i det tyske tollforbund) og ble 1867 erklært nøytralt. Ved Vilhelm 3s død 1890 opphørte forbindelsen med Nederland, og Adolf av Nassau kom på tronen (1890–1905), fulgt av sønnen Vilhelm. Da denne var sønneløs, ble den eldste datter, Marie Adelheid, erklært for arving 1907. Hun regjerte 1912–19, da hun fratrådte til fordel for søsteren Charlotte. En folkeavstemning i 1919 viste stort flertall for å opprettholde storhertugforfatningen. Det var også flertall for en økonomisk union med Frankrike, som imidlertid avslo en slik ordning. Luxembourg inngikk da en avtale om økonomisk union med Belgia som trådte i kraft 1. mai 1922.
Luxembourg var okkupert av tyske tropper under hele den første verdenskrig. Ved den tyske offensiv i vest 10. mai 1940 ble Luxembourg igjen okkupert av tyske tropper. Storhertuginne Charlotte flyktet sammen med sin regjering til London. De allierte befridde Luxembourg 1944–45, og hertuginne Charlotte vendte tilbake. Etter å ha regjert i 45 år overdrog storhertuginne Charlotte 1964 sine statssjeffunksjoner til sin eldste sønn, fyrst Jean. Han regjerte frem til 2000, da sønnen Henri overtok som storhertug. Luxembourg har stabile politiske forhold, og gjennom lange perioder har en koalisjon av de to store partiene, de liberale og de kristeligsosiale, sittet med makten. Jean-Claude Junker har vært statsminister siden 1995.
Luxembourgs økonomi og utenrikspolitikk er nært knyttet til Belgias, og landet har spilt en svært aktiv rolle ved opprettelsen av de vesteuropeiske og atlantiske samarbeidsorganisasjoner etter den annen verdenskrig. Landets viktige stålindustri ble hardt rammet av den økonomiske krisen fra midten av 1970-årene. Imidlertid har det lyktes å holde arbeidsledigheten på det laveste nivå i Vest-Europa, noe som bl.a. skyldes etablering av ny høyteknologisk industri. Luxembourg er også et av de viktigste finanssentra i Europa, og flere internasjonale organisasjoner har sete i landet, bl.a. EU-domstolen. Landet har vært med i eurosamarbeidet siden starten, og en folkeavstemning i 2005 gav flertall for den nye EU-grunnloven – noen uker etter at den ble avvist av franske og nederlandske velgere.