In 1866 viel de Duitse Bond uiteen en kwam de Noord-Duitse Bond tot stand, waarvan het groothertogdom Luxemburg en het hertogdom Limburg geen deel meer zouden uitmaken. Willem was desgevraagd bereid Luxemburg aan keizer Napoleon III van Frankrijk te verkopen, met stilzwijgende instemming van de Pruisische premier Bismarck. Toen deze transactie echter in de openbaarheid kwam, verklaarde Bismarck dat verkoop als reden tot oorlog beschouwd zou worden. Op het Congres van Londen van 1867 ter regeling van de Luxemburgse kwestie werd overeengekomen dat Luxemburg patrimoniaal eigendom van het huis (Oranje-)Nassau zou blijven, echter wel als politiek neutraal gebied. De Pruisische troepen werden dan ook teruggetrokken uit de vesting en de burcht van Luxemburg werd afgebroken. In 1868 kreeg Luxemburg een nieuwe grondwet.