Latere opvolgers van Jan de Blinde gingen zich zo zeer op Bohemen richten, dat tienmaal groter en volkrijker was dan het hertogdom Luxemburg, dat zij Luxemburg gingen verwaarlozen en verpanden. In 1383 stierf de tak van de familie waaraan het hertogdom verpacht was uit en erfden de Bourgondiërs het hertogdom, maar de lokale adel aanvaardde dat niet en kwam in opstand ten gunste van een zijtak van de Luxemburgse dynastie. De laatste hertogin van deze zijtak, Elisabeth van Görlitz verbond zich (echtelijk) met het huis Bourgondië en zo werd het hertogdom in 1451 een der gewesten van de Bourgondische Nederlanden.

In oppervlak was het één van de grootste gewesten dat behalve het huidige Groothertogdom Luxemburg en de gelijknamige Belgische provincie ook bepaalde gebieden in de Eifel omvatte, zoals het gebied rond Bitburg. Het merendeel daarvan werd echter door de schaarsbevolkte Ardennen gevormd. Het hertogdom was daarmee meer strategisch dan economisch van belang.

Het Hertogdom Luxemburg kwam in 1482 door de dood van Maria van Bourgondië in handen van het Huis Habsburg. Door de Pragmatieke Sanctie in 1549 maakte het voortaan deel uit van de Habsburgse Nederlanden.

In tegenstelling tot bijna alle andere gewesten waren er in Luxemburg betrekkelijk weinig calvinisten. Luxemburg bleef de Beeldenstorm dan ook bespaard. Gedurende de gehele Tachtigjarige Oorlog bleef het gewest Spaansgezind, zelfs de Pacificatie van Gent werd niet door het hertogdom getekend. Zo bleef het een uiterst handig steunpunt voor het Spaanse leger, vooral in de jaren 1576-1579. Bij de Vrede van Münster werd het vanzelfsprekend ingedeeld bij de Spaanse Nederlanden.

In 1659 gaat de Luxemburgse stad Diedenhoven verloren aan Frankrijk. Na de Spaanse Successieoorlog ging Luxemburg bij de Oostenrijkse Nederlanden horen. Bij de Brabantse Omwenteling in 1790 bleef Luxemburg opnieuw afzijdig.

In 1795 wordt Luxemburg ruim 20 jaar bezet door het revolutionaire,Napoleontische Frankrijk. Het krijgt de naam Wouden (Forêts in het Frans). Er was enig machteloos militair verzet, o.a. de Klüppelkrieg.

Door de grootmachten werd de kaart van Europa grondig hertekend op het Congres van Wenen. Willem I lobbyde voor een vereniging van Noord-Nederland, Zuid-Nederland en delen van het Rijnland. Dit laatste faalde, maar Luxemburg werd wel toegewezen aan Willem. Het werd opgewaardeerd tot groothertogdom en maakte deel uit van de Duitse Bond. Willem schakelde het in in zijn Verenigd Koninkrijk der Nederlanden, hoewel het daar eigenlijk geen deel van uitmaakte.

Met de Belgische Revolutie van 1830 werd Luxemburg-stad gehouden door een Pruisisch garnizoen dat loyaal bleef aan de Nederlandse koning. De rest van het land integreerde zich in de Belgische instellingen, hoewel het daarmee weinig affiniteit had.

Willem was in 1839 ten slotte genoodzaakt de Belgische onafhankelijkheid te accepteren en de door Groot-Brittannië opgelegde regeling te aanvaarden. Buiten de oostelijke helft van Limburg behield hij ook de oostelijke helft van Luxemburg. De nieuwe Belgische staat wilde onder geen beding afstand doen van het westelijke, Franstalige, deel van Luxemburg, waarop ook de Duitse Bond aanspraak maakte. Als compensatie werd daarom de oostelijke helft van de provincie Limburg aan de Duitse Bond afgestaan, als een nieuw hertogdom, met de koning van Nederland als hertog. De westelijke helft van het Groothertogdom Luxemburg werd een Belgische provincie. De Belgische geschiedenis beschrijft dit als een teruggave van het oostelijk deel; de Luxemburgse geschiedenis spreekt van het verlies van het westelijke deel. Deze deling verliep grotendeels volgens de taalgrens tussen Waals (Frans) en Luxemburgs (Duits), hoewel om strategische reden besloten werd dat Aarlen en omgeving, die destijds Luxemburgstalig waren, ook bij België kwamen.

In 1842 sloot Luxemburg een tolunie, de Zollverein, met Pruisen.

Luxemburg werd definitief een onafhankelijke staat bij de opheffing van de Duitse Bond in 1867, hoewel de Nederlandse koning er groothertog bleef. Afhankelijk van welke definitie men hanteert gaan sommigen ervan uit dat Luxemburg in 1839, 1867 of 1890 onafhankelijk werd.

Aan die situatie kwam een einde met de dood van koning Willem III in 1890. Terwijl deze in Nederland werd opgevolgd door koningin Wilhelmina, deden de Luxemburgers een beroep op de Salische Wet, en kozen zo een andere groothertog, uit een andere tak van de Nassau familie, Adolf. Hiermee kwam er een eind aan de personele unie tussen Nederland en Luxemburg.

Het tot dan toe doodarme, zuiver agrarische Luxemburg wordt eind 19e eeuw welvarend dankzij de opleving van de ijzerindustrie. Dankzij het omstreeks 1870 uitgevonden Thomasprocedé werd het namelijk mogelijk om uit het fosforrijke Luxemburgse ijzererts goed staal te fabriceren. De nieuwe industrie werd grotendeels gefinancierd met Duits kapitaal.

Terwijl het relatief overbevolkte Luxemburg in de tweede helft van de 19e eeuw bijna een kwart van zijn bevolking kwijtraakte door emigratie (voornamelijk naar Frankrijk en de Verenigde Staten), wordt het land nu een immigratieland (vooral veel Italiaanse immigranten). De tolunie zou na de eenwording van Duitsland in 1871 worden voortgezet en pas na de Eerste Wereldoorlog, in 1918, worden opgezegd.

Luxemburg zocht toenadering tot België en sloot in 1921 de Belgisch-Luxemburgse Economische Unie, de BLEU, die de kern zou zijn van de Benelux in 1944. Luxemburg was ook een van de stichtende leden van de NAVO en de EU.

Hertog en Groothertog Willem l (1815 - 1840)

Groothertog Willem ll (1840 - 1849)

Groothertog Willem lll (1849 - 1890)

Willem III, koning der Nederlanden en groothertog van Luxemburg, liet na zijn dood op 23 november 1890 slechts een dochter na. Deze Wilhelmina volgde hem in Nederland op, maar door de in Luxemburg van kracht zijnde Nassause huisbepalingen kon zij geen groothertogin worden. Derhalve ging de Luxemburgse kroon over op Adolf, hoofd van de Walramse linie van het Huis Nassau. 

Groothertog Adolf (1890 - 1905)

Adolf was de zoon van hertog Willem van Nassau en Louise van Saksen-Altenburg (1794-1825). Bij de dood van zijn vader op 30 augustus 1839 werd hij hertog van Nassau. Op 31 januari 1844 huwde hij grootvorstin Elisabeth Michajlovna, de dochter van grootvorst Michaël Pavlovitsj van Rusland en een nicht van tsaar Nicolaas I, die echter reeds een jaar later stierf. Te harer nagedachtenis liet hij in Wiesbaden een Russisch-orthodoxe kapel oprichten.

Adolf regeerde op conservatieve wijze, maar zag zich in het revolutiejaar 1848 op het allerlaatste moment - voor zijn slot stond een woedende menigte van 30.000 mensen - genoodzaakt de zogenaamde "negen eisen der Nassauers" in te willigen en een Kamer van Afgevaardigden met algemeen kiesrecht in te voeren. Hij zette zijn beleid op meer liberale wijze voort en schreef in 1849 Frederik Willem IV van Pruisen zelfs een nederige brief waarin hij deze verzocht de hem door het liberale Frankfurter Parlement aangeboden Duitse keizerskroon te aanvaarden. Later zette zich echter weer een conservatieve periode in waarin Adolf veel van zijn liberale maatregelen terugdraaide: de landdag werd ontbonden, de pers gemuilkorfd en het recht op vergadering en vereniging beperkt. Nassau was Oostenrijks gezind en in de Pruisisch-Oostenrijkse Oorlog van 1866 verklaarde Adolf Pruisen dan ook de oorlog. De overwegend liberale Kamer weigerde echter geld beschikbaar te stellen en op 15 juli moest de hertog vluchten. Pruisen bezette op 18 juli Wiesbaden en beschouwde Nassau na de overwinning als oorlogsbuit. De formele annexatie van het hertogdom vond plaats op 8 oktober.

De reeds 73-jarige Adolf hield zich in het liberale Luxemburg afzijdig van de dagelijkse politiek en schoof in 1902 zijn zoon en troonopvolger Willem (IV) Alexander als stadhouder naar voren. Hij besteedde zijn tijd aan het uitbreiden van de kunstcollectie in zijn paleis in de stad Luxemburg en aan de restauratie van het slot Berg, dat sindsdien de residentie van de groothertogelijke familie is. Hij bracht het grootste deel van zijn tijd echter niet in Luxemburg door, maar op zijn slot Hohenburg in de Beierse Alpen. Hij stierf daar op 17 november 1905 en werd opgevolgd door zijn zoon Willem IV.

Groothertog Willem lV (1905 - 1912)
Van 1902 - 1905 regeerde Willem lV als regent en daarna tot 1912 als groothertog. Aangezien hij geen zoons had werd in 1907 in Luxemburg door opheffing van de Salische wet de opvolging in vrouwelijke lijn alsnog mogelijk, nadat eerder de opvolging door Wilhelmina bij de dood van Willem III onmogelijk bleek. Hierdoor kon zijn oudste dochter Maria Adelheid (1894-1924) uiteindelijk groothertogin worden. Willem stierf op 25 februari 1912. Bij zijn dood trad zijn echtgenote Maria Anna van Bragança, een dochter van Michaël I van Portugal, op als voogdes totdat zijn dochter Maria Adelheid in juni van dat jaar de troon besteeg.

Groothertogin Maria Adelheid (1912 - 1919)

Als oudste dochter van groothertog Willem IV volgde zij deze na diens dood op, aanvankelijk, tot haar 18e verjaardag onder het regentschap van haar moeder Maria Anna van Bragança. Van bij de aanvang van haar regering streden despotische neigingen en tomeloze energie om de voorrang, waardoor zij regelmatig in aanvaring kwam met haar ministers. Bij het uitbreken van de Eerste Wereldoorlog probeerde zij symbolisch de opmars van de Duitse troepen aan de grenzen van haar vorstendom tegen te houden, door haar wagen bij de grenspost dwars over de weg te parkeren. Aan keizer Wilhelm II liet zij weten "dat de schending van de Luxemburgse neutraliteit voor altijd een smet zou werpen op de eer van zijn Rijk...". Niettemin vonden heel wat Luxemburgers, met name de linkse partijen, dat zij te veel sympathie voor de Duitsers had betoond. Na de wapenstilstand werd haar door het Luxemburgse parlement verzocht zich te onthouden van elke politieke handeling, tot er over haar lot zou beslist worden. In de nacht van 9 op 10 januari 1919 deed zij troonsafstand. Het parlement riep de Republiek uit, maar herstelde 48 uur later de monarchie, toen bleek dat haar jongere zuster Charlotte bereid was haar op te volgen. Maria Adelheid volgde daarop haar religieuze roeping en trad in het klooster van de karmelietessen te Modena. Om gezondheidsredenen moest zij dit klooster na korte tijd weer verlaten, waarna zij zich in Beieren vestigde, waar zij ook overleed.

Groothertogin Charlotte Adelgonde Elisabeth Maria Wilhelmina (1919 - 1964) Zij was de jongere dochter van groothertog Willem IV en zuster van Maria Adelheid van Luxemburg.

Groothertog Jean Benoît Guillaume Marie Robert Louis Antoine Adolphe Marc d'Aviano (1964 - 2000) Hij was de zoon van groothertogin Charlotte en prins Felix van Bourbon-Parma.

Groothertog Henri Albert Gabriel Félix Marie Guillaume (2000 - heden)