Luxemburg ist eines der kleinsten Länder in Europa und liegt von der Fläche auf Platz 175 von allen 194 unabhängigen Staaten der Welt. Das Land ist 2586 Quadratkilometer gross, 82 km lang und 57 km breit. Im Osten grenzt Luxemburg an die deutschen Bundesländer Rheinland-Pfalz und Saarland und im Süden an die französische Region Lothringen. Das Großherzogtum wird im Norden und Westen durch die belgische Region Wallonien begrenzt.
Das nördliche Drittel des Landes ist Teil der Ardennen und bekannt als Ösling. Es ist von Hügeln und niedrigen Bergen, einschließlich der Kneiff, des landesweit höchsten Punkts (560 m) dominiert. Die Region ist dünn besiedelt, hier gibt es nur eine Stadt (Wiltz) mit einer Bevölkerung von mehr als viertausend Einwohnern.
Die südlichen zwei Drittel des Landes wird als Gutland bezeichnet und ist dichter als der Oesling besiedelt. Die Region lässt sich in mehrere geografische Teilregionen aufgeteilen. Das Luxemburg-Plateau, im südlichen Zentral-Luxemburg, ist eine große, flache, Sandstein-Formation, hier befindet sich die Stadt Luxemburg. Die Kleine Schweiz, im Osten von Luxemburg, hat felsiges Gelände und dichte Wälder. Das Moseltal entlang der südöstlichen Grenze ist die tiefste Region des Landes. Das Rote Land im äußersten Süden und Südwesten ist das industrielle Kernland von Luxemburg und Heimat für viele der größeren Städte im Land.
Die Grenze zwischen Luxemburg und Deutschland wird durch die drei Flüsse Mosel, Sauer und Our gebildet. Weitere wichtige Flüsse sind die Alzette, die Attert, die Klerf und Wiltz. Die Täler der Mittleren Sauer und Attert bilden die Grenze zwischen dem Gutland und dem Ösling.