Przebieg roczny temperatur jest typowy dla obszarów o morskim klimacie, mimo iż Luksemburg znajduje się 280 km od brzegów Oceanu Atlantyckiego. Masy powietrza kontynentalnego pochodzące z głębi Europy co prawda zaznaczają swój wpływ w kraju, to jednak występują one w niewielkim stopniu. W księstwie dominują wilgotne masy powietrza polarnomorskiego. To oznacza, że pomimo wyżynnego krajobrazu zimy są łagodne, nawet w regionie Ardenów. Na północy, w obrębie Ardenów jest chłodniej, ale średnie wartości i tak w ciągu zimy wynoszą -2° do 0 °C. Na południu jest jeszcze cieplej, gdzie średnie wartości termiczne wynoszą od 0° do +2 °C. Lata są chłodne, bez występowania ekstremów termicznych. Średnie wartości wahają się od +17 °C w Ardenach do +19 °C na południu kraju.
Opady są stosunkowo wysokie i wynoszą średnio około 750 mm rocznie. Najniższe wartości reprezentuje regiony nisko położone, gdzie średnio w ciągu roku spada około 700 mm opadów. W północnej części kraju wartości opadowe dochodzą nawet do 1200 mm rocznie. Opady śniegu występują dość rzadko, zwłaszcza na południu, co wiąże się nie tylko z bliskością oceanu, ale i niezbyt dużą wysokością bezwzględną kraju.