Siedlungsspuren auf dem Gebiet des heutigen Luxemburgs gehen bis ins Paläolithikum zurück (Oetringen). Die neolithische Besiedlung beginnt mit der Linearbandkeramik. Das reiche Grab von Göblingen-Nospelt stammt aus der späten Latènezeit und verrät starken römischen Einfluss. Der Titelberg war in dieser Zeit das wichtigste Oppidum in Luxemburg. Ungefähr einhundert Jahre später drangen Römer in das Land ein, als Caesar um 58–51 v. Chr. Gallien und einen Teil von Germanien bis zur Rheingrenze eroberte. Das Gebiet des heutigen „Luxemburgs“ wurde vor allem von den Treverern bewohnt, es wurde Teil des Imperium Romanum.
Im 5. Jahrhundert n. Chr. drängten die germanischen Franken die Römer zurück. Wandermönche missionierten die Menschen zum Christentum und bauten Klöster. Das Kloster Echternach wurde vom angelsächsischen Missionar Willibrord im Jahre 698 gegründet.
Grafschaft Luxemburg innerhalb des Fränkischen Reiches
Nach der Reichsteilung unter den Enkeln Karls des Großen im Vertrag von Verdun kam es im Jahr 843 zunächst zum lotharingischen Mittelreich, 859 zum Herzogtum Oberlothringen und mit diesem im Jahr 925 zum Ostfränkischen Reich, dem Vorläufer des römisch-deutschen Reiches.
Für die siedlungspolitische und kulturelle Situation des Herzogtums waren Macht- und Kulturzentren von Bedeutung wie die Städte mit dem Recht auf Münzprägung oder die Klöster. Allein die Abtei von Echternach lag auf dem Gebiet des heutigen Luxemburg. Die spätere Reichsabtei Echternach war jedoch ein reichsunmittelbares Territorium innerhalb des Heiligen Römischen Reichs und gehörte damit nicht zu Luxemburg. Die scheinbare Kontinuität zwischen der mittelalterlichen Grafschaft und dem heutigen Nationalstaat ist jedoch eine a-posteriori-Konstruktion der späteren nationalen Geschichtsschreibung. Auch wichtige Handelswege aus römischer Zeit führten über Luxemburg. So spielte Luxemburg vor allem durch die geografische Lage eine strategisch bedeutsame Rolle, und das bis zur Schleifung der Festung Luxemburg im 19. Jahrhundert.
Die später namensgebende Burg Lucilinburhuc (oder Lützelburg) (an der Stelle der heutigen Hauptstadt Luxemburg) wurde 963 erstmals urkundlich erwähnt, als Graf Siegfried I. den Bockfelsen, auf dem sich die Burg befindet, im Tausch mit der Reichsabtei Sankt Maximin in Trier gegen Ländereien in Feulen erwarb. Siegfrieds Nachkommen bezeichneten sich ab Konrad I. (1083) als Grafen von Luxemburg. Später wurde der Name ihrer Burg auf ihren gesamten Herrschaftsbereich übertragen.
Nach dem Aussterben der älteren Linie des Herrschergeschlechts und seiner Erben, der Grafen von Namur, kam die Grafschaft Luxemburg 1214 durch Heirat an den späteren Herzog Walram II. von Limburg. Im Streit mit Brabant um den Besitz Limburgs unterlag das Haus Luxemburg 1288 in der Schlacht von Worringen, doch kam es bald darauf zu einer Annäherung der beiden Häuser. Heinrich VII. von Luxemburg heiratete die Tochter des Herzogs von Brabant und bestieg 1308 sogar den deutschen Königsthron. Damit begann die historisch bedeutsamste Epoche des Hauses Luxemburg.
Herzogtum Luxemburg innerhalb des Heiligen Römischen Reiches
Mit dem Erwerb der böhmischen Königskrone 1311 durch den Sohn Heinrichs VII., Johann von Luxemburg (Johann der Blinde), und dem darauffolgenden Aufbau einer starken Hausmacht im Osten des Heiligen Römischen Reichs (Altes Reich) sowie in Ungarn verlor das Stammland jedoch zusehends an Bedeutung für die Dynastie. Die Grafen von Luxemburg sollten im 14. und 15. Jahrhundert insgesamt vier römisch-deutsche Kaiser stellen. Heinrichs Enkel, Karl IV., erhob die luxemburgischen Stammlande 1354 zum Herzogtum. Karl sollte Luxemburg gar einmal kurzfristig an Kurtrier verpfänden.
Im Jahr 1441 verkaufte Elisabeth von Görlitz, die letzte Herzogin aus dem Haus Luxemburg, das Land an das französische Haus Burgund. Es blieb aber staatsrechtlich ein Lehen des Reiches. Nach dem Tod des letzten Burgunderherzogs Karls des Kühnen im Jahr 1477 kam Luxemburg mit dem gesamten burgundischen Erbe an Karls Tochter Maria und ihren Ehemann, den späteren Kaiser Maximilian von Habsburg.
Bei seiner feierlichen Abdankung im Jahr 1555 schlug Maximilians Enkel Karl V. die gesamten habsburgischen Niederlande, zu denen auch Luxemburg gehörte, seinem Sohn Philipp II., dem König von Spanien, zu. Von da an bis zum Aussterben der spanischen Habsburger bildete Luxemburg innerhalb des Heiligen Römischen Reiches einen Teil der Spanischen Niederlande, von dem sich ab 1568 die nördlichen, protestantischen Provinzen unter Führung Hollands abspalteten.
Aufgrund des habsburgisch-bourbonischen Gegensatzes wurde Luxemburg in den folgenden 200 Jahren immer wieder in die Kriege zwischen Frankreich und den Habsburgern hineingezogen. Im Jahre 1659 musste Spanien den südlichsten Teil des Herzogtums im Rahmen des Pyrenäenfriedens an Frankreich abtreten. Im Zuge seiner Reunionspolitik ließ König Ludwig XIV. von Frankreich das Land 1684 nördlich der neuen Grenze besetzen.
Im Frieden von Utrecht, der 1714 den Spanischen Erbfolgekrieg beendete, wurde der gesamte Länderkomplex, der etwa den heutigen Staaten Belgien und Luxemburg entspricht, innerhalb des Reichs der österreichischen Linie der Habsburger zugesprochen. Die Österreichischen Niederlande existierten innerhalb des Reiches bis zur Eroberung und Annexion des Landes durch Truppen der Französischen Revolution 1794. Von 1795 bis 1814 bildete das vorherige Herzogtum Luxemburg als Département Forêts („Wälder“) einen Teil der Französischen Republik und später des Französischen Kaiserreichs.
Großherzogtum Luxemburg innerhalb des Deutschen Bundes
Der Wiener Kongress machte Luxemburg 1815 nominell zu einem selbständigen Großherzogtum, das unter den Königen des Hauses Nassau-Oranien in Personalunion mit dem Königreich der Vereinigten Niederlande verbunden war. Allerdings musste es die Gebiete östlich der Mosel, Our und Sauer mit rund 50.000 Bewohnern an Preußen abtreten. Rund 2300 Quadratkilometer, mit Orten wie Bitburg, Sankt Vith, Neuerburg oder Igel, wurden in die neu gegründete preußische Provinz Niederrhein (1822 erweitert zur Rheinprovinz) eingegliedert.
Im Unterschied zu den Gebieten des neu geschaffenen Königreichs der Vereinigten Niederlande wurde Luxemburg Teil des Deutschen Bundes und war von 1842 bis Dezember 1918 Teil des deutschen Zollvereins. Als deutsche Bundesfestung erhielt die Hauptstadt Luxemburg eine preußische Garnison.
Als sich 1830/39 Belgien während der belgischen Revolution die Unabhängigkeit von den Niederlanden erkämpfte, erhielt es auf der Londoner Konferenz die wallonischen West- und Nordwestregionen Luxemburgs zugesprochen. Die neue belgische Provinz Luxemburg entstand aus mehr als der Hälfte des Großherzogtums Luxemburgs, mit rund 4300 Quadratkilometern, 160.000 Bewohnern und Städten wie Bastogne und Arlon.
Im Gegenzug erhielt Luxemburg mehr Autonomie, bis dahin war es mehr oder weniger wie eine niederländische Provinz regiert worden, ähnlich wie das Herzogtum Limburg von 1839 bis 1866. Im Jahre 1841 erhielt das Land eine ständische, 1848 eine später mehrmals revidierte Verfassung mit einem Zensuswahlrecht.