Страна расположена в Западной Европе, между 6° 10' восточной долготы и 49°45' северной широты. Граничит на востоке с Германией (138 км), на юге — с Францией (73 км) и на западе—с Бельгией (148 км). На востоке страна ограничивается рекой Мозель. Рельеф в основном - холмистая возвышенная равнина, на севере которой возвышаются отроги Арденн (высшая точка - г.Бургплатц, 559 м.). Общая площадь страны около 2,6 тыс. кв. км. Столица также носит название Люксембург, как и сопредельная провинция Бельгии, которая занимает большую площадь, чем Герцогство Люксембург.
Территорию Люксембурга можно разделить на 2 части — северную (Эслинг) с отрогами Арденн и южную (Гутланд — «добрая земля»). Южная половина Люксембурга представляет собой продолжение Лотарингского плато и характеризуется волнистым куэстовым рельефом. Здесь рельеф представлен системой гряд и уступов, постепенно понижающихся к востоку. Преобладают культурные ландшафты. На севере страны, в Эслинге, занятом предгорьями Арденн, развит сильнорасчлененный рельеф с высотами до 400–500 м. Самая высокая точка – гора Бургплац (559 м). Почвы на севере сложены из кварцевых и сланцевых пород, которые малоплодородны. На юге — плодородные суглинистые почвы. Климат — умеренно-континентальный с мягкой зимой и прохладным летом, средние температуры января 2 °С, июля 18 °С, осадков 700-750 мм в год, максимальное количество — в августе — октябре. Наиболее благоприятный период в Люксембурге это конец весны и начало лета. В это время стоит теплая погода и радует глаз необычайное буйство красок ожившей природы. Однако ясные деньки в Люксембурге редкость, осадки в виде дождя или снега выпадают здесь вне зависимости от времени года, среднегодовой уровень осадков в пределах городской черты составляет 760-820 мм.
В пригородах Люксембурга еще сохранились дубовые и буковые леса, населенные белками, косулями, сернами, кабанами и некоторыми представителями отряда птиц (вяхири, сойки и др.). Здесь живет много белок. Из птиц встречаются вяхири, сойки и канюки, а также фазаны. Редким гостем стал ястреб-перепелятник. В густых лесных зарослях обитают рябчик и глухарь. В реках и ручьях Эслинга водится форель. В садах и парках города культивируются теплолюбивые растения — такие, как грецкий орех, абрикос, самшит, кизил.