Sachverhalt:
A. Die Y._ AG (Beschwerdegegnerin) ist eine ausländische Unternehmung, deren Zweck gemäss Handelsregisterauszug ihrer schweizerischen Zweigniederlassung der Bau von Wasser- und Abwasserleitungen, Erdgas- und Ölleitungen, Strassenbau sowie weitere Tätigkeiten auf dem Gebiet der Konstruktion und Wartung von Bauten und Anlagen ist. Im Rahmen eines öffentlichen Ausschreibungsverfahrens im Frühjahr 1999 wurde sie von der B._ AG beauftragt, die Transitgasleitung des internationalen Erdgastransportsystems in einem bestimmten Abschnitt neu zu erstellen. Einen Teil der dafür notwendigen Tiefbauarbeiten vergab die Beschwerdegegnerin der C._ AG und der D._ AG. Auf Verlangen von nicht berücksichtigten Baufirmen und Verbandsmitgliedern beauftragte die Paritätische Berufskommission Bauhauptgewerbe Kanton Luzern (Beschwerdeführerin), ein Verein im Sinn von <ref-law>, den Lohnbuchrevisor E._ mit Lohnbuchkontrollen bei der Beschwerdegegnerin. Am 15. Oktober 1999 reichte dieser einen ersten Kontrollbericht ein, dem am 26. April 2000 eine erweiterte Lohnbuchkontrolle folgte. Mit Beschluss vom 10. Oktober 2000 stellte die Beschwerdeführerin gestützt auf die Lohnbuchkontrollen fest, dass die Beschwerdegegnerin ihren Mitarbeitern von April bis November 1999 insgesamt Fr. 1'048'877.75 brutto an geldwerten Leistungen vorenthalten sowie gegen verschiedene Bestimmungen des Landesmantelvertrags für das Bauhauptgewerbe 1998-2000 (LMV 2000) vom 13. Februar 1998 verstossen haben soll, und auferlegte ihr eine Konventionalstrafe in der Höhe von Fr. 786'000.-- sowie die Kontroll-, Neben- und Verfahrenskosten im Betrag von insgesamt Fr. 39'896.10.
B. Die Beschwerdegegnerin focht diesen Entscheid mit Klage vom 28. Oktober 2000 beim Amtsgericht Luzern-Stadt an mit dem Begehren, der Entscheid der Beschwerdeführerin sei aufzuheben und es sei festzustellen, dass die Beschwerdegegnerin dem LMV 2000 nicht unterstehe. Eventualiter sei festzustellen, dass sie den LMV 2000 nicht verletzt habe. Eventualiter sei festzustellen, dass zwei Meldungen betreffend Samstagsarbeit (Art. 27 LMV 2000) auf Grund falscher Auskünfte der Beschwerdeführerin nicht erfolgt und deshalb nicht der Beschwerdegegnerin anzulasten seien. Eventualiter sei eine Expertise über die Berechnungsgrundlagen für einen Bruttolohnvergleich im Bauhauptgewerbe betreffend den Heimatstaat der Beschwerdegegnerin und der Schweiz durch das schweizerische Sekretariat für Staatswirtschaft (SECO) zu erstellen.
Mit Urteil vom 26. Juli 2006 stellte das Amtsgericht Luzern-Stadt in teilweiser Gutheissung der Klage fest, dass die Beschwerdegegnerin den LMV 2000 hinsichtlich der Überstundenregelung nicht verletzt hat. Im Übrigen wurde die Klage abgewiesen und der Entscheid der Beschwerdeführerin vom 10. Oktober 2000 bestätigt. Die Beschwerdegegnerin wurde daher verpflichtet, der Beschwerdeführerin eine Konventionalstrafe in der Höhe von Fr. 786'000.-- zuzüglich Verfahrenskosten von Fr. 39'896.10 zu bezahlen.
C. Die Beschwerdegegnerin erhob am 28. August 2006 Appellation und beantragte dem Obergericht des Kantons Luzern, das Urteil des Amtsgerichts Luzern-Stadt vom 26. Juli 2006 sei aufzuheben und es sei festzustellen, dass die Beschwerdegegnerin dem LMV 2000 nicht unterstehe. Eventualiter sei festzustellen, dass die Beschwerdegegnerin den LMV 2000 betreffend Art. 27 (Meldepflicht), Art. 41 (Unterschreitung der Basisbruttolöhne) sowie betreffend Art. 24 und 43 (Lohnklasseneinteilung) nicht verletzt habe. In ihrer Appellationsbegründung ergänzte sie ihre Anträge mit dem Begehren, dass eventualiter die auferlegte Konventionalstrafe mindestens auf die Hälfte, d.h. auf Fr. 400'000.-- herabzusetzen sei.
Mit Urteil vom 23. Mai 2007 hob das Obergericht des Kantons Luzern den Beschluss der Beschwerdeführerin vom 10. Oktober 2000 auf und stellte fest, dass die Beschwerdegegnerin dem LMV 2000 nicht untersteht.
D. Mit Beschwerde in Zivilsachen vom 3. Juli 2007 beantragt die Beschwerdeführerin dem Bundesgericht, das Urteil des Obergerichts des Kantons Luzern vom 23. Mai 2007 sei aufzuheben und das Urteil des Amtsgerichts Luzern-Stadt vom 26. Juli 2006 sei zu bestätigen. Sie rügt die unrichtige Feststellung des Sachverhalts nach <ref-law> sowie die Verletzung von Art. 1 Abs. 1 des Bundesgesetzes über die Allgemeinverbindlicherklärung von Gesamtarbeitsverträgen vom 28. September 1956 (SR 221.215.311; im Folgenden: AVEG). In prozessualer Hinsicht verlangt sie die Erteilung der aufschiebenden Wirkung.
Die Beschwerdegegnerin beantragt in ihrer Antwort, die Beschwerde sei abzuweisen und das Urteil des Obergerichts des Kantons Luzern vom 23. Mai 2007 sei zu bestätigen. Das Obergericht des Kantons Luzern beantragt, die Beschwerde sei abzuweisen, soweit auf sie eingetreten werden könne.
E. Mit Verfügung vom 9. Juli 2007 erteilte das Bundesgericht der Beschwerde superprovisorisch aufschiebende Wirkung.

Das Bundesgericht zieht in Erwägung:
1. 1.1 Mit vorliegendem Entscheid wird das Gesuch um aufschiebende Wirkung gegenstandslos.
1.2 Das Bundesgericht wendet das Recht von Amtes wegen an (<ref-law>). Es ist folglich weder an die in der Beschwerde geltend gemachten Argumente noch an die Erwägungen der Vorinstanz gebunden; es kann eine Beschwerde aus einem anderen als dem angerufenen Grund gutheissen und es kann eine Beschwerde mit einer von der Argumentation der Vorinstanz abweichenden Begründung abweisen. Immerhin prüft das Bundesgericht, unter Berücksichtigung der allgemeinen Begründungspflicht der Beschwerde (Art. 42 Abs. 1 und 2 BGG), grundsätzlich nur die geltend gemachten Rügen, sofern die rechtlichen Mängel nicht geradezu offensichtlich sind (<ref-ruling> E. 1.4.1 S. 254 mit Hinweisen).
1.3 Nach <ref-law> legt das Bundesgericht seinem Urteil den Sachverhalt zugrunde, den die Vorinstanz festgestellt hat (Abs. 1). Es kann diese Sachverhaltsfeststellung von Amtes wegen berichtigen oder ergänzen, wenn sie offensichtlich unrichtig ist oder auf einer Rechtsverletzung im Sinne von <ref-law> beruht (Abs. 2). Die Voraussetzungen für eine Sachverhaltsrüge nach <ref-law> und für eine Berichtigung des Sachverhalts von Amtes wegen nach <ref-law> stimmen im Wesentlichen überein. Soweit es um die Frage geht, ob der Sachverhalt willkürlich oder unter verfassungswidriger Verletzung einer kantonalen Verfahrensregel ermittelt worden ist, sind strenge Anforderungen an die Begründungspflicht der Beschwerde gerechtfertigt. Entsprechende Beanstandungen sind vergleichbar mit den in <ref-law> genannten Rügen. Demzufolge genügt es nicht, einen von den tatsächlichen Feststellungen der Vorinstanz abweichenden Sachverhalt zu behaupten. Vielmehr ist in der Beschwerdeschrift nach den erwähnten gesetzlichen Erfordernissen darzulegen, inwiefern diese Feststellungen willkürlich bzw. unter Verletzung einer verfahrensrechtlichen Verfassungsvorschrift zustande gekommen sind. Andernfalls können Vorbringen mit Bezug auf einen Sachverhalt, der von den Feststellungen im angefochtenen Entscheid abweicht, nicht berücksichtigt werden. Vorbehalten bleiben offensichtliche Sachverhaltsmängel im Sinne von <ref-law>, die dem Richter geradezu in die Augen springen (<ref-ruling> E. 1.4.3 S. 254 f. mit Hinweisen).
Der sinngemäss erhobene Vorwurf der Beschwerdeführerin, das Obergericht habe eine willkürliche Beweiswürdigung vorgenommen, genügt den Begründungsanforderungen nicht. Soweit die Beschwerdeführerin in ihren Ausführungen von einem anderen als dem im Urteil festgestellten Sachverhalt ausgeht, ohne überhaupt eine Sachverhaltsrüge zu erheben, ist sie ebenso wenig zu hören.
1.4 Gemäss <ref-law> dürfen neue Tatsachen und Beweismittel nur soweit vorgebracht werden, als erst der Entscheid der Vorinstanz dazu Anlass gibt (im gleichen Sinne schon die Praxis zur staatsrechtlichen Beschwerde: <ref-ruling> E. 6c S. 357 mit Hinweisen). In der Beschwerde ist darzutun, inwiefern die erwähnte Voraussetzung für eine nachträgliche Einreichung von Beweismitteln erfüllt sein soll (<ref-ruling> E. 3 S. 395). Die von der Beschwerdeführerin hier vorgetragene blosse Behauptung, erst der angefochtene Entscheid habe Anlass zur Nachreichung von Dokumenten gegeben, ist unzureichend. Die neu ins Recht gelegten Schriftstücke sind daher unbeachtlich.
2. Die Beschwerdeführerin wirft dem Obergericht vor, <ref-law> verletzt zu haben, als es zum Schluss kam, die Beschwerdegegnerin sei dem LMV 2000 nicht unterstellt, weil es an einem direkten Konkurrenzverhältnis fehle.
2.1 Bei einem Branchen- bzw. Industrievertrag unterstehen diejenigen Arbeitnehmer dem GAV, die in einem bestimmten Wirtschaftszweig tätig sind (Urteil 4C.45/2002 vom 11. Juli 2002 E. 2.1.1). Die Frage, welchem Wirtschaftszweig ein Unternehmen zuzurechnen ist, beantwortet sich nach der Tätigkeit, die ihm das Gepräge gibt; entscheidend ist nicht der Handelsregistereintrag, sondern die tatsächliche Tätigkeit (Urteile 4C.191/2006 vom 17. August 2006 E. 2.2; 4C.409/1995 vom 15. Mai 1996 E. 2b). Nach dem Grundsatz der Tarifeinheit gilt der GAV für den ganzen Betrieb und somit auch für berufsfremde Arbeitnehmer, wobei regelmässig gewisse Funktionsstufen und besondere Anstellungsverhältnisse ausgenommen werden. Allerdings kann ein Unternehmen mehrere Betriebe umfassen, welche unterschiedlichen Branchen angehören, oder es können innerhalb ein und desselben Betriebes mehrere Teile bestehen, welche eine unterschiedliche Zuordnung rechtfertigen, weil sie eine genügende, auch nach aussen erkennbare Selbständigkeit aufweisen. In diesen Fällen können dann auf die einzelnen Teile des Unternehmens unterschiedliche Gesamtarbeitsverträge zur Anwendung gelangen. Massgebliches Zuordnungskriterium bei einem Industrievertrag ist somit die Art der Tätigkeit, die dem Betrieb oder dem selbständigen Betriebsteil - und nicht dem Unternehmen als wirtschaftlichem Träger allenfalls mehrerer Betriebe - das Gepräge gibt (Urteile 4C.45/2002 vom 11. Juli 2202 E. 2.1.1; 4C.350/2000 vom 12. März 2001 E. 3b).
2.2 Gemäss <ref-law> kann der Geltungsbereich eines zwischen Verbänden abgeschlossenen Gesamtarbeitsvertrags auf Antrag aller Vertragsparteien durch Anordnung der zuständigen Behörde auf Arbeitgeber und Arbeitnehmer des betreffenden Wirtschaftszweiges ausgedehnt werden, die am Vertrag nicht beteiligt sind. Die Allgemeinverbindlicherklärung will einheitliche Mindestarbeitsbedingungen für die auf dem gleichen Markt tätigen Unternehmen schaffen und damit verhindern, dass ein Unternehmen durch schlechtere Arbeitsbedingungen einen Wettbewerbsvorteil erlangen kann (Urteil 4C.45/2002 vom 11. Juli 2002 E. 2.2.2), der als unlauter gilt (vgl. zu <ref-law> etwa Baudenbacher/Glöckner, in: Baudenbacher, Lauterkeitsrecht, Kommentar zum Gesetz gegen den unlauteren Wettbewerb [UWG], N. 3 und N. 11 f. zu <ref-law>). Es ist bei der Allgemeinverbindlicherklärung in verfassungskonformer Auslegung von <ref-law> darauf zu achten, dass direkte Konkurrenten in ihrer Wirtschaftsfreiheit gleichmässig eingeschränkt werden und im wirtschaftlichen Wettbewerb gleich lange Spiesse erhalten (vgl. Art. 28 und Art. 94 Abs. 4 BV). Zum selben Wirtschaftszweig sind nach der bundesgerichtlichen Rechtsprechung Betriebe zu zählen, die zueinander insofern in einem direkten Konkurrenzverhältnis stehen, als sie Erzeugnisse oder Dienstleistungen gleicher Art anbieten (Urteile 4C.191/2006 vom 17. August 2006 E. 2.2; 4P.49/2006 vom 24. April 2006 E. 3.3; 4C.391/2001 vom 30. April 2002 E. 3.1; 4C.45/2002 vom 11. Juli 2002 E. 2.1.2; 4C.409/1995 vom 15. Mai 1996 E. 2a).
2.3 Beim LMV 2000 handelt es sich um einen Branchenvertrag (Urteil 4C.350/2000 vom 12. März 2001 E. 3a), den der Bundesrat mit Beschluss vom 10. November 1998 für allgemeinverbindlich erklärt hat (BBl 1998 S. 5643); gemäss Art. 2 Abs. 5 des Beschlusses gelten bestimmte allgemeinverbindlich erklärte Bestimmungen auch für Arbeitgeber mit Sitz im Ausland. Nach den Feststellungen der Vorinstanz bestand die Tätigkeit des Betriebsteils der Beschwerdegegnerin in der Schweiz im Verlegen einer Erdgasleitung, im Speziellen eines Teils der Erdgashochdruckleitung, die die Erdgasfelder Nordeuropas mit Italien verbindet und auch der Erdgasversorgung der Schweiz dient. Die Beschwerdegegnerin untersteht nach eigenen Angaben in ihrem Heimatstaat dem Gesamtarbeitsvertrag des Metallgewerbes. Das Obergericht hielt auf Grund der zu beurteilenden Tätigkeiten sowohl eine Unterstellung des Betriebs unter den vom Bundesrat für allgemeinverbindlich erklärten Landes-Gesamtarbeitsvertrag für das Metallgewerbe als auch eine Unterstellung unter den LMV 2000 für denkbar. Es liess jedoch die Frage offen, welcher GAV letztlich zur Anwendung kommt. Die Unterstellung unter den LMV 2000 verneinte es mit der Begründung, die Beschwerdegegnerin stehe mit keinem schweizerischen Betrieb in einem direkten Konkurrenzverhältnis, da es in der Schweiz keine Unternehmung gebe, die über das erforderliche technische Fachwissen für die Errichtung der nationalen Transitgasleitung verfüge. Umfasse das Angebot des einheimischen Baugewerbes lediglich einen Teilbereich des Pipelinebaus, gewissermassen in einer Hilfsfunktion, vermöge es mit dem Angebot der Beschwerdegegnerin in Bezug auf die Gesamtleistung nicht zu konkurrieren, weshalb eine Unterstellung der Beschwerdegegnerin unter den LMV 2000 nicht gerechtfertigt erscheine.
2.4 Der Vorinstanz ist insoweit Recht zu geben, als ein Betrieb, der eine auf dem einheimischen Markt konkurrenzlose Tätigkeit anbietet, mit Bezug auf diese Tätigkeit keinem allgemeinverbindlich erklärten GAV untersteht, da ein unlauterer Wettbewerbsvorteil gar nicht erlangt werden kann. Entgegen der Ansicht der Vorinstanz führt dies jedoch nicht dazu, dass die Unterstellung des Betriebs in jedem Fall ausgeschlossen ist. Führt das Unternehmen nämlich neben der konkurrenzlosen Spezialtätigkeit Arbeiten aus, die auch von anderen Unternehmen angeboten werden, und beschäftigt es insoweit auch nicht spezialisierte Arbeitnehmer, ist eine Konkurrenzsituation zu bejahen. So wird etwa in der Praxis ein Konkurrenzverhältnis auch angenommen, wenn eine zunächst ausschliesslich für das eigene Personal zuständige Betriebskantine beginnt, im Interesse einer besseren Auslastung Speisen an andere Kantinen abzugeben (vgl. die Auskunft des BIGA vom 2. April 1970, publ. in ARV 1971 S. 21 f.). Der Zweck der Allgemeinverbindlicherklärung, unlautere Wettbewerbsvorteile zu verhindern, kann nur erreicht werden, wenn die Regeln des entsprechenden GAV grundsätzlich von sämtlichen Anbietern auf einem bestimmten Markt eingehalten werden müssen. Sobald daher ein Betrieb in nicht offensichtlich untergeordnetem Umfang in einem Markt auftritt, für den ein allgemeinverbindlich erklärter GAV gilt, kommen - unbesehen einer konkurrenzlosen Spezialtätigkeit - die allgemeinen Grundsätze für die Unterstellung zur Anwendung (vgl. oben E. 2.1). Die fehlende Konkurrenz auf dem Gebiet der Spezialisierung hat allein zur Folge, dass die entsprechenden Tätigkeiten ausser Betracht bleiben. Die Unterstellung unter einen allgemeinverbindlich erklärten GAV ist damit ausschliesslich nach den Tätigkeiten zu beurteilen, die von einem Unternehmen im Blick auf seine Angebote am Markt - das heisst im Wettbewerb - ausgeübt werden; fallen diese unter verschiedene Wirtschaftszweige, ist festzustellen, welche Aktivität dem Betrieb bzw. dem Betriebsteil das Gepräge gibt. Das hat die Vorinstanz verkannt, wenn sie wegen der konkurrenzlosen Spezialangebote unbesehen der Leistungen, die die Beschwerdegegnerin in Konkurrenz mit Mitbewerbern anbot, die Unterstellung unter den LMV 2000 verneinte.
2.5 Nach den Feststellungen der Vorinstanz führte die Beschwerdegegnerin über ihre konkurrenzlose Spezialtätigkeit im Rohrleitungsbau hinaus auch Bauarbeiten aus, die von einheimischen Unternehmen ebenfalls angeboten werden. Die Beschwerdegegnerin bestreitet nicht, dass diese Arbeiten ihrer Art nach unter den LMV 2000 fallen. Den tatsächlichen Feststellungen im angefochtenen Entscheid lässt sich jedoch nicht entnehmen, welchen Umfang und welche Bedeutung diese Arbeiten im Vergleich zu allfälligen anderen Tätigkeiten im Betrieb der Beschwerdegegnerin aufwiesen, mit denen sich diese im Wettbewerb behaupten musste. Dem angefochtenen Entscheid lässt sich auch nicht entnehmen, ob die fraglichen Bauarbeiten von Hilfskräften ausgeführt wurden oder ob sie allenfalls von den Spezialisten selber erbracht wurden. Träfe dies zu, weil sich die Arbeiten etwa nicht vernünftig von den Spezialwissen erfordernden Aufgaben trennen lassen und dementsprechend der Beizug nicht spezialisierter Arbeitskräfte für den Betrieb unrentabel wäre, läge in Bezug auf diese Arbeiten grundsätzlich keine direkte Konkurrenzsituation vor. Auf der Grundlage der Feststellungen im angefochtenen Entscheid lässt sich nicht beurteilen, ob die Vorinstanz die Unterstellung des Betriebs der Beschwerdegegnerin in der Schweiz unter den allgemeinverbindlich erklärten LMV 2000 im Ergebnis zutreffend verneint hat. Die Sache ist deshalb zur Ergänzung des Sachverhalts und zu neuer Entscheidung an die Vorinstanz zurückzuweisen.
3. Nach dem Gesagten ist die Beschwerde teilweise gutzuheissen, soweit darauf eingetreten werden kann. Das Urteil des Obergerichts des Kantons Luzern vom 23. Mai 2007 ist aufzuheben und die Sache ist gestützt auf <ref-law> an die Vorinstanz zurückzuweisen. Angesichts des offenen Ausgangs des kantonalen Verfahrens rechtfertigt es sich, praxisgemäss die Gerichtsgebühr den Parteien je zur Hälfte aufzuerlegen und die Parteikosten für das bundesgerichtliche Verfahren wettzuschlagen.

Demnach erkennt das Bundesgericht:
1. Die Beschwerde wird teilweise gutgeheissen, soweit darauf einzutreten ist. Das Urteil des Obergerichts des Kantons Luzern vom 23. Mai 2007 wird aufgehoben und die Sache wird zur Ergänzung des Sachverhalts und zu neuer Entscheidung an die Vorinstanz zurückgewiesen.
2. Die Gerichtsgebühr von Fr. 9'000.-- wird den Parteien je zur Hälfte auferlegt.
3. Die Parteikosten werden wettgeschlagen.
4. Dieses Urteil wird den Parteien und dem Obergericht des Kantons Luzern, I. Kammer als Appellationsinstanz, schriftlich mitgeteilt.
Lausanne, 8. November 2007
Im Namen der I. zivilrechtlichen Abteilung des Schweizerischen Bundesgerichts
Der Präsident: Die Gerichtsschreiberin:
Corboz Hürlimann