לוקסמבורג נותרה תחת שלטון צרפתי עד קונגרס וינה בשנת 1815, אז הוחלט שהדוכסות תהפוך לדוכסות גדולה, שבראשה יעמוד כדוכס גדול וילם הראשון, מלך הולנד, באוניה פרסונלית עם הממלכה המאוחדת של הולנד. בשנת 1830 פרצה המהפכה הבלגית, ותושבי לוקסמבורג המערבית הצטרפו לבלגים, ובעקבות כך צורפו לאחר מכן לבלגיה. בשנת 1867 אושררה עצמאותה של לוקסמבורג, וזאת לאחר תקופה של אי שקט שבה נשקלה האפשרות לספח אותה לבלגיה, גרמניה או צרפת. בעקבות משבר לוקסמבורג ב-1867 כמעט ופרצה מלחמה בין צרפת ופרוסיה על המעמד של לוקסמבורג. נושא זה נפתר בהסכם לונדון שהבטיח את עצמאותה הקבועה ואת הנייטרליות של לוקסמבורג. קירות המבצר הופלו וחיל המצב הפרוסי נסוג מהמדינה. לוקסמבורג נותרה תחת שלטונם של מלכי ארצות השפלה עד מותו של וילם השלישי, מלך הולנד בשנת 1890, כאשר מכיוון שלא היה לו בן, הדוכסות הגדולה עברה לאדולף, הדוכס הגדול של לוקסמבורג מבית נסאו-ויילבורג, בעקבות התנאים של הסכם הירושה של נסאו מ-1783. בכך נפרדה לוקסמבורג מהולנד בה ירשה בתו של וילם השלישי את כסאו. במהלך מלחמת העולם הראשונה ומלחמת העולם השנייה נכבשה לוקסמבורג על ידי הצבא הגרמני, ובשטחה אף התחולל הקרב על הבליטה בשנת 1944.