W 53 r. p.n.e. na tereny obecnego Luksemburga wkroczyły legiony Gajusza Juliusza Cezara w ramach jego wielkiej kampanii przeciwko Galom. Obszar ten został włączony w granice Rzymu, większość dzisiejszego Luksemburga znalazło się w granicach prowincji Gallia Belgica. Okres Pax Romana sprzyjał rozwojowi gospodarczemu tych ziem.
thumb|Pomnik św. Wilibrorda w Echternach Zmiana nastąpiła w drugiej połowie III w. n.e., gdy teren ten dotknęły liczne najazdy plemion germańskich. W V w. cały obszar opanowali Frankowie. W okresie panowania Merowingów wykształcił się istniejący do dzisiaj podział językowy Luksemburga: w części wschodniej dominację zdobył dialekt germański, w części zachodniej używany był język romański (waloński). W tym okresie dokonała się również chrystianizacja tego obszaru, w którą duży wkład wnieśli misjonarze z wysp brytyjskich. Jeden z nich, św. Wilibrord, w ostatnich latach VII w. założył opactwo benedyktyńskie w Echternach, które było później ośrodkiem kulturalnym o znaczeniu europejskim i ważnym centrum pielgrzymkowym.