Le palais du Luxembourg, situé dans le 6e arrondissement de Paris dans le nord du jardin du Luxembourg, est le siège du Sénat français, qui fut installé en 1799 dans le palais construit au début du XVIIe siècle par Marie de Médicis, alors veuve d'Henri IV, roi de France et de Navarre. Il appartient au domaine de cette assemblée, qui comprend également, à proximité du palais, l'hôtel du Petit Luxembourg, résidence du président du Sénat, le musée du Luxembourg, et l'ensemble du jardin.
Le premier modèle architectonique de l'édifice fut dès le début le Palazzo Pitti à Florence.
Le palais et le jardin ont gardé le nom de l'ancien hôtel particulier sur lequel ils ont été construits : l'hôtel de Luxembourg (à ne pas confondre avec l'hôtel actuel dans le Marais). Il appartenait à François de Luxembourg, qui l'avait fait construire et y avait habité quelque temps avant de le vendre à Marie de Médicis. On l'a par la suite nommé « palais Médicis » mais cette dénomination a mal survécu au « coup de majesté » de son fils, le roi Louis XIII.
Le nom n'a qu'un lointain rapport avec le comté de Luxembourg, ancêtre de l'actuel pays. Ces Luxembourg ne le possédaient plus, ils n'étaient issus que de façon indirecte, à travers plusieurs branches cadettes, dont celle des comtes de Ligny de la maison de Luxembourg, une lignée du Saint-Empire très prestigieuse du Xe siècle qui avait ce comté en apanage. Mais à l'époque de l'achat, les comtes de Luxembourg en avaient été évincés par l'Espagne.
Le palais du Luxembourg a été construit sur le terrain d'un hôtel particulier du xvie siècle, qui appartenait à François de Luxembourg, duc de Piney et prince de Tingry, un des favoris d'Henri III, marié à Diane de Lorraine, fille de Claude II d'Aumale.
La régente Marie de Médicis, veuve d'Henri IV, achète l'hôtel et le domaine dits « de Luxembourg » en 1612 et commande en 1615 la construction d'un palais à l'architecte Salomon de Brosse. Après avoir fait raser maisons et une partie du Petit Luxembourg, elle pose elle-même la première pierre le 2 avril 1615. Le marché de construction est retiré à Salomon de Brosse en 1624 et rétrocédé au maître maçon Marin de la Vallée le 26 juin 1624. L'année suivante, avant la fin des travaux, la reine mère s'installe au premier étage de l'aile ouest, dans la partie du palais Médicis qui lui est réservée, la partie est étant destinée à son fils, le roi Louis XIII.
Une série de toiles avait été commandée à Rubens pour chacun de ces appartements qui devaient former deux cycles, le cycle de la vie de Marie de Médicis, destinée à la galerie de son appartement, et un cycle de la vie d'Henri IV qui n'a pas été terminé (destiné à la galerie du roi). La série consacrée à la reine-mère est aujourd'hui conservée au Louvre.
Le chantier n'est pas achevé en 1631 lorsque Marie de Médicis doit le quitter, exilée sur ordre de son fils à la suite de la « journée des Dupes ». Marie de Médicis, à sa mort en 1642, lègue le domaine à son enfant préféré, son second fils Gaston duc d'Orléans, frère puîné du roi Louis XIII. Le bâtiment porte alors le nom de « palais d'Orléans ». Il passe par succession à sa veuve, Marguerite de Lorraine, puis à sa fille aînée la duchesse de Montpensier qui le vend à sa sœur cadette, la duchesse de Guise (1660). Celle-ci en fait don au roi, son cousin en 1694.
En 1715, le palais du Luxembourg, ou palais d’Orléans, revient au régent Philippe d'Orléans, qui l'abandonne à sa fille aînée Marie-Louise-Élisabeth d'Orléans (duchesse de Berry), puis à sa cadette Louise Élisabeth d'Orléans (1709-1742), reine douairière d'Espagne. La duchesse de Berry y mène une vie de fêtes et de plaisirs. Les grossesses illégitimes de cette jeune veuve font scandale. Fin mars 1719, un nouvel accouchement, mal préparé par ses excès, se passe très mal. Au bord de la mort, la princesse implore l'extrême-onction, que l'église lui refuse[réf. nécessaire]. Le 2 avril 1719, on la délivre d'un enfant mort-né. Déshonorée par le bruit de cette naissance dont parle tout Paris, elle ne se rétablit pas de ses couches laborieuses ; elle est morte en juillet 1719 au château de la Muette.
Le 14 octobre 1750, la galerie royale de peinture du palais du Luxembourg est ouverte à l'initiative de Charles François Paul Le Normant de Tournehem, directeur des bâtiments du roi, à l’emplacement même de la galerie de Marie de Médicis, dans l'aile est du palais du Luxembourg. Exposant une sélection des tableaux du Roi à proximité du cycle de Rubens, il s'agit du premier musée d'art ouvert au public en France, qui préfigura la création du musée du Louvre en 1793. L'actuel musée du Luxembourg a hérité de cette tradition muséale.
Par un édit du mois de décembre 1778, le roi Louis XVI accorde le domaine et le château à son frère Louis-Stanislas-Xavier, comte de Provence et futur roi Louis XVIII, à titre d'augmentation d'apanage. Après sa fuite en 1791, le palais d’Orléans est déclaré « propriété nationale ».
Durant la Révolution française et à la suite de la journée du 10 août 1792, Louis XVI y est brièvement assigné à résidence, avant d'être remis à la Commune de Paris. Pendant la Terreur, en juin 1793, le « Luxembourg » devient formellement une prison, nommée « Maison nationale de sûreté ». Durant cette période, près de 800 personnes y sont détenues, dont un tiers sera guillotiné, parmi lesquels se trouvent Georges Danton, Camille Desmoulins, la comtesse de Noailles et Fabre d'Églantine. Le peintre Jacques-Louis David, également emprisonné au Luxembourg durant cette période et qui a pu conserver son matériel de peinture durant son incarcération, y peint le seul paysage qui lui soit attribué. Le palais est affecté au Directoire par décision du 18 septembre 1795. Les cinq directeurs s'y installent le 3 novembre 1795.
Bonaparte, Premier consul, s'installe au palais du Luxembourg le 15 novembre 1799. Le Sénat conservateur, assemblée créée par la Constitution de l'an VIII, s'y installe le 28 décembre 1799. En 1814, il est attribué à la Chambre des pairs. Par la suite, il garde sa vocation parlementaire, excepté durant quelques courtes périodes. En 1828, des essais d'éclairage urbain à gaz hydrogène carburé sont effectués dans l'enceinte du palais.
L'hôtel initial, désormais appelé Petit Luxembourg, est devenu depuis 1825 la résidence officielle du président du Sénat. Le bâtiment de droite, appelé aussi hôtel de la présidence, abrite son bureau et ceux de ses collaborateurs, ses salons et sa salle à manger privés. Le bâtiment de gauche, appelés salons de Boffrand, abrite des salles de restaurant et des salons pour les grandes réceptions organisées par le Président ou par le Sénat dont l'accueil des personnalités étrangères.
Sous la monarchie de Juillet, le nombre de sénateurs croît sensiblement. Pour permettre à la salle des séances de les accueillir tous, une campagne de travaux est lancée ; il est décidé d'avancer la façade sur jardin. Décidés en 1836, les travaux sont confiés à l'architecte Alphonse de Gisors et commencés en 1837.
À la suite de la révolution de février 1848, il n'y a dans un premier temps plus de Sénat. Le palais du Luxembourg accueille alors une « Commission du gouvernement pour les travailleurs », présidée par Louis Blanc, qui sera vite appelée « Commission du Luxembourg ».
Le palais du Luxembourg est affecté par la suite à toutes les chambres hautes successives : Sénat du Second Empire et Sénat de la Troisième République à partir de 1879. Entre 1871 et 1879, le Parlement siège à Versailles, pendant ce temps, c’est le préfet de la Seine qui siège au Palais du Luxembourg.
En 1940, le palais est occupé par l’état-major de la Luftwaffe-ouest, ses généraux Erhard Milch puis Hugo Sperrle logeant au Petit Luxembourg. Le palais est réaménagé pour cette nouvelle affectation militaire (cloisonnement des grandes pièces, réseau de sonneries, nouvelle peinture, etc.), de même que l'hôtel de la Présidence. L'architecte Marcel Macary est chargé des travaux, s'attachant à ne pas occasionner de dégâts durables pour le palais. En 1943, un blockhaus est construit dans le jardin du Luxembourg, à l'est du palais : avec quatorze mètres de profondeur, il doit comporter dix galeries d'abri mais seulement sept étaient terminées à la Libération, en août 1944 (connu sous le nom d'« abri Médicis », il sert de nos jours de lieu de stockage). En 1937, un abri de défense passive avait été construit dans les jardins de la Présidence ; il est amélioré et un nouveau est érigé entre l'hôtel de la Présidence et le musée du Luxembourg. À la Libération, les Allemands laissent les lieux dévastés et minés, tandis que des meubles sont volés.