Nach der Auflösung des Heiligen Römischen Reichs Deutscher Nation, zu dessen Territorium das Herzogtum gehörte, fällt Luxemburg an Frankreich bis zum Untergang des ersten napoleonischen Kaiserreichs. Der Wiener Kongress 1815 legt schließlich fest, dass das nun zum Großherzogtum erhobene Luxemburg Mitgliedstaat des neu gegründeten Deutschen Bundes wird, dessen Mitglied es bis zu dessen Auflösung 1866 bleibt. Gleichzeitig führen die dortigen Beschlüsse zu einer Personalunion mit dem Königreich der Niederlande, die die 2. Teilung des Landes hervorruft. 1830 schließt sich Luxemburg der belgischen Revolution an. 1839 kommt es zur 3. und letzten Teilung, in der die wallonische (französischsprachige) Westhälfte an Belgien fällt. Nach der Auflösung des Deutschen Bundes 1866 bleibt Luxemburg weiterhin Mitglied im Deutschen Zollverein (1843–1919). König Wilhelm III. der Niederlande, dessen Privateigentum das Großherzogtum Luxemburg ist, versucht vergeblich, das Großherzogtum Luxemburg als Bundesstaat des Norddeutschen Bundes aufnehmen zu lassen.
1867 Luxemburgkrise: Napoléon III. versucht Luxemburg von König Wilhelm III. der Niederlande zu kaufen. Das Großherzogtum Luxemburg ist das Privateigentum von König Wilhelm III. der Niederlande. Die deutsche Öffentlichkeit im Großherzogtum Luxemburg und in den anderen Gebieten des Deutschen Bundes empört sich gegen den Verkauf des Großherzogtums Luxemburg an Frankreich: Luxemburg, als Heimatland der Dynastie der Luxemburger, welche vier römisch-deutsche Kaiser gestellt hatten, wird als deutsches Land angesehen, das nicht an Frankreich fallen dürfe. Es gibt eine starke Bewegung, die mit einer Petition an den König-Großherzog Wilhelm III. für einen Erhalt des Status Quo plädiert. Der Wahlspruch „Mir wëlle bleiwen waat mir sinn“ (Wir wollen bleiben, was wir sind), wird populär. Die Krise mündet im zweiten Londoner Vertrag von 1867, in dem Luxemburg für immer neutral erklärt wird. Die deutsche Bundesfestung Luxemburg wird geschleift.
1890 Wegen des Aussterbens im Mannesstamme des niederländischen Königshauses (Oranien-Nassau), gelangen aufgrund des privatrechtlichen Erbvertrags zwischen den Prinzen des Hauses Nassau, des Nassauischen Erbvereins, die nächsten männlichen Verwandten, die deutschen Herzöge von Nassau-Weilburg an die Regierung. Damit erhält Luxemburg seine eigene erbliche Dynastie, das Haus Nassau-Weilburg.
Im Ersten Weltkrieg (1914–1918) wird die Neutralität Luxemburgs von deutschen Truppen verletzt, als diese Luxemburg als Durchgangsland gegen Frankreich benutzen und besetzen.
Staatskrise von 1918 bis 1919: Wegen ihrer prodeutschen Haltung während des Ersten Weltkrieges gerät Großherzogin Marie Adelhaïde unter starken innenpolitischen Druck und dankt schließlich zugunsten ihrer Schwester Charlotte ab. siehe: Referendum vom 20. September 1919
1919 Einführung des Frauenwahlrechts
1922 Gründung der „Union Économique Belgo-Luxembourgeoise“: In diesem Vertragswerk wird u. a. die Parität zwischen belgischer und luxemburgischer Währung (Franken) beschlossen.
Zweiter Weltkrieg (1939–1945): Die deutsche Wehrmacht marschiert durch Luxemburg, um Frankreich anzugreifen. Luxemburg wird von deutschen Truppen besetzt, Luxemburger zur deutschen Wehrmacht eingezogen.. Der Zweite Weltkrieg wird zur harten Probe für die junge Nation und führt dazu, dass Nationalsymbole wie die Monarchie und die luxemburgische Sprache noch fester im Nationalbewusstsein verankert werden. Siehe Hauptartikel: Luxemburg im Zweiten Weltkrieg
Nach dem Zweiten Weltkrieg wird die Zoll- und Wirtschaftsunion schrittweise auf die Niederlande ausgedehnt (Benelux-Staaten).
1945 Luxemburg wird Mitglied der Vereinten Nationen.
1948 Die seit 1867 bestehende „immerwährende Neutralität“ wird formell aufgehoben.
1952 Luxemburg wird Sitz der Europäischen Gemeinschaft für Kohle und Stahl (EGKS), auch „Montanunion“ genannt.
1957 Luxemburg ist Gründungsmitglied der Europäischen Wirtschaftsgemeinschaft (EWG)
1985 Luxemburg beschließt mit vier weiteren EU-Staaten das nach dem luxemburgischen Moselort benannte sog. Schengener Abkommen.
1986 Verleihung des Karlspreis an das gesamte luxemburgische Volk wegen besonderer Verdienste zur Europäischen Einheit
1995 Inkrafttreten des Schengener Abkommens
2002 Einführung des Euro als offizielles Zahlungsmittel im Bargeldverkehr