En 1815, après la défaite de Napoléon face aux Prussiens, les Pays-Bas tentèrent de prendre le contrôle du pays. Le Congrès de Vienne décida alors d'ériger le Luxembourg au rang de Grand-Duché, propriété du Roi des Pays-Bas Guillaume 1er d'Orange-Nassau. C'est au cours de cette période que la Révolution Belge de 1830-1839 eut lieu. Le Luxembourg perdit par là-même la moitié de son territoire. A la fin de la guerre, le Luxembourg fut déclaré état indépendant par l'intermédiaire du Premier Traité de Londres de 1839. Ce traité décréta également la neutralité du pays, garantie notamment par la protection des grandes puissances européennes. Le Luxembourg dut également rejoindre la Confédération Allemande et accepter l'occupation de son château-fort par l'armée prussienne.
Ce n'est qu'en 1866 que le Luxembourg devint réellement indépendant, lorsque la Confédération Allemande fut dissoute. Le Second Traité de Londres de 1867 réaffirma l'indépendance du pays et imposa le retrait des troupes prussiennes avant de reconnaître à nouveau la neutralité du pays. En 1890, le roi Guillaume III décéda, laissant à sa fille Wilhelmine le trône des Pays-Bas. Adolphe, à la tête de la Maison de Nassau, devint quant à lui Grand Duc du Luxembourg.
Le Luxembourg fut envahi et occupé par l'armée allemande au cours de la Première Guerre Mondiale. Le Grand-Duché put conserver son indépendance mais le peuple fit porter à la Duchesse Marie-Adelaïde la responsabilité de l'invasion. En 1919, la Grande Duchesse Charlotte, sa soeur, arriva au pouvoir. Les Luxembourgeois votèrent en effet le maintien de la monarchie mais demandèrent en parallèle l'élargissement de leurs privilèges démocratiques et l'instauration du suffrage universel.
Au cours de la Seconde Guerre Mondiale, le Luxembourg ne put rester neutre du fait de l'occupation du pays dès 1940 par les troupes nazies qui marchaient déjà vers la France. Le pays fut alors considéré comme un territoire allemand et annexé en 1942. Le gouvernement luxembourgeois s'enfuit à Londres et tenta de participer au Débarquement de Normandie aux côtés des Alliés en envoyant un petit groupe de volontaires en renfort. Le Luxembourg fut libéré par les Alliés en septembre 1944.
Le pays fit partie des membres fondateurs des Nations-Unies en 1946 et devint membre de l'OTAN en 1949. En 1957, le Luxembourg fut également l'un des six pays fondateurs de la Communauté Economique Européenne, qui deviendrait par la suite l'Union Européenne. Les ruines du château fort de Luxembourg ont été ajoutées au Patrimoine Mondial de l'UNESCO en 1993. Depuis 1999, l'euro est la monnaie officielle du pays qui continue de participer activement aux affaires européennes et internationales.