Au cours du IIIe et du IVe s., les Germains passent le Rhin et se dirigent vers le midi de la France. Les razzias se transforment en véritable invasion de Suèves, Alains et Vandales, eux-mêmes poussés par l'arrivée en Occident des Huns. La résistance face aux Germains est faible : Trêves, ancienne capitale de l'empereur Gratien, est détruite plusieurs fois et conquise définitivement en 460. C'est la fin de la domination romaine sur ces territoires.
Les Germains poursuivent sur leur lancée jusqu'à l'Espagne et l'Afrique, tandis que les Huns sont arrêtés aux Champs catalauniques par Ætius. Les populations locales, elles, restent sur place. Les Alamans et les Francs ripuaires s'établissent définitivement et se fondent dans les populations autochtones. Ils amènent avec eux un nouveau langage, le Möselfrankisch : une frontière s'établit entre les parlers germaniques et les parlers romans. Ils amènent également une nouvelle organisation territoriale : ils partagent leur territoire en cantons. Le futur Luxembourg est partagé en quatre cantons, le canton mosellan, le canton de Bitbourg, le canton de Woivre, et les Ardennes. Des comtes régionaux sont placés à la tête de ces territoires.
Pendant ce temps, les Francs saliens construisent le futur empire franc : Chilpéric fait de Tournai sa capitale, son fils Clovis conquiert toute la Gaule en une trentaine d'années, soumet les Alamans, rejette les Wisigoths. Après Clovis, les Pippinides assurent l'expansion franque en arrêtant notamment les Arabes à Poitiers et en intégrant la Bourgogne et l'Aquitaine.
Les Carolingiens
La plupart des domaines des Carolingiens s'étendaient au futur Luxembourg. Leur patrimoine comprenait Liège, le sud de la Belgique et le futur grand-duché. À la mort de Louis le Pieux, ces territoires sont inclus dans la Francia media, gouvernée par Lothaire, qui conserve le titre impérial. En 855, Lothaire se retire au monastère de Prünn et partage ses États entre ses trois fils. Lothaire II prend possession du territoire auquel il donnera son nom, la Lotharingie, entre la Meuse et le Rhin. À la mort de Lothaire II, la Lotharingie, objet de convoitise des frères du défunt, est partagée par le traité de Meersen entre Charles le Chauve et Louis le Germanique. Une partie du diocèse de Trèves, les abbayes d'Esternach et de Prünn, la région de Metz reviennent au Germanique, tandis que la Woëvre, l'Alzette et Bastogne reviennent à Charles. La ligne de démarcation coupe le Luxembourg, le long de la Meuse, de l'Ourthe, de la Clerf, la Wiltz, la Sûre, l'Alzette et la Moselle.
Le Bas Moyen-Âge
En 987, l'arrivée sur le trône franc d'un Robertien, Hugues Capet, signe la fin des Carolingiens. La Lotharingie est rattachée à la Germanie par le traité de Ribémont en 880. Arnulf de Carinthie, roi de Germanie, en fait don à son bâtard Zwentibold. Celui-ci disparaît en 900 et son trône revient au duc Régnier au Long Col. En 925, malgré les grandes familles lotharingiennes, le comté de Luxembourg revient à l'Empire, en la personne de Henri Ier d'Allemagne.
Les débuts de la maison d'Ardenne
Wigéric, comte d'Ardenne et du Trévirois, est considéré comme le fondateur de la maison comtale de Luxembourg. Né dans une puissante famille originaire de la moyenne Moselle, il épouse en secondes noces Éva, une Carolingienne. En sortent le comte Gozlin, Adalbéron, évêque de Metz, Frédéric, comte du Barrois et duc de Haute-Lotharingie, Giselbert, comte d'Ardenne, et Sigefroi, comte de Luxembourg. Le clan d'Ardenne va dominer la Lotharingie pendant un siècle et demi : il s'étend de Laon et Reims à Trèves et Cologne, de Metz et Verdun à Liège et Anvers. La maison d'Ardenne donnera un pape (Étienne IX), deux bienheureuses (Ida de Boulogne et l'impératrice Cunégonde), un roi de Germanie (Hermann de Salm), deux ducs de Bavière, et un roi de Jérusalem, Godefroi de Bouillon. Enfin, Sigefroi, premier comte de Luxembourg.
Au moment où Sigefroi apparaît, Othon Ier le Grand restaure la centralisation carolingienne. Il impose son frère Brunon, archevêque de Cologne, comme duc de Lotharingie. Celui-ci divise son territoire en Basse-Lotharingie et la Lotharingie Mosellane. La ligne de partage, encore une fois, traverse le futur Luxembourg : l'Œsling, au nord, relève de Liège, tandis que le Gutland au sud est confié à Frédéric le Palatin, frère de Sigefroi et lieutenant de Charles le Simple, signe que le clan d'Ardenne s'est rallié à la dynastie saxonne. Sigefroi, comte lorrain, mène une politique expansionniste. Il échoue devant Stavelot et, réticent à se rapprocher des Trois-Évêchés, il se tourne vers un méandre de la vallée de l'Alzette. En 967, il s'installe dans le lieu-dit Lucilinburhuc (petit refuge) et y bâtit un château. Il meurt en 998 et est enterré à Saint-Maximin de Trèves.
La maison de Luxembourg-Ardenne
À partir de Sigefroi, sept descendants mâles se succèdent sur le siège comtal de Luxembourg. Le comte Henri de Luxembourg sera fait duc de Bavière, devenant ainsi prince d'Empire. À sa mort le comte passe à son neveu Henri II d'Ardenne, puis au frère cadet de celui-ci, Giselbert de Salm. Le fils de celui-ci, Conrad Ier, s'approprie les biens des abbayes d'Echternach et de Stavelot et étend ses terres en direction de Trèves. Fidèle à la tradition familiale d'alliance avec l'Empereur, il soutient Henri IV contre le Pape dans la querelle des Investitures. La lignée mâle de Sigefroi s'éteint après la mort sans postérité de Conrad II, petit-fils de Conrad Ier.
La maison de Luxembourg-Namur
À la mort de Conrad II, les règles féodales s'appliquent et le comté de Luxembourg retourne à l'empereur Lothaire de Saxe. Son successeur, Conrad III de Hohenstaufen, investit Henri de Namur, cousin du comte défunt. Celui-ci devient comte de Luxembourg sous le titre de Henri IV. Il hérite les comtés de Namur et de Longwy, puis celui de Durbuy et de Laroche. Malheureusement, désireux de poursuivre son expansion territoriale, il s'attaque à l'archevêque de Trèves, échoue, et est rejeté de la Moselle moyenne. Sans descendance, il passe un accord avec son neveu Baudouin V, comte de Hainaut, qui doit hériter de la couronne comtale. Frédéric Barberousse approuve le testament en 1184, mais craignant une alliance entre Baudouin V et Philippe Auguste, gendre du Namurois, l'Empereur promet d'ériger Namur en marquisat réunissant les comtés de Namur, La Roche, Durbuy et Luxembourg.
Inquiets, l'archevêque de Cologne Philippe de Heinsberg, le comte de Flandre Philippe de Hainaut et le duc de Brabant Godefroi II envahissent le Hainaut. Ils échouent, mais parviennent à persuader le vieux comte Henri de reprendre sa 3e épouse : il en naît une petite Ermensinde. Malgré ses engagements, Henri promet Ermensinde en mariage à Henri II de Champagne, cousin germain de Philippe Auguste. L'empereur Henri VI, mécontent, décide de céder à Baudouin V le marquisat de Namur amputé du Luxembourg, destiné à devenir terre d'Empire. Henri de Champagne se ravise face à la drastique réduction de la succession de sa fiancée et part en croisade où il épousera Isabelle de Jérusalem. Henri de Luxembourg meurt en 1196 sans avoir trouvé un époux pour sa fille. Le comté tombé en déshérence revient à l'Empire. Philippe de Souabe, régent d'Allemagne, remet le territoire à Otton, comte palatin de Bourgogne et frère cadet d'Henri VI. Otton l'inféode à Thiébaut de Bar, fils du comte de Bar, qui épouse aussitôt Ermensinde de Luxembourg en 1197.
Le nouveau comte de Luxembourg rachète à Otton ses droits sur ses terres, mais il meurt en 1214, laissant Ermensinde veuve avec une fille. Ermensinde épouse quelques mois plus tard le marquis d'Arlon Waléran, fils du duc de Limbourg, qui apporte à son épouse le marquisat d'Arlon : désormais le Luxembourg s'étend de la Moselle à l'Ourthe en un bloc compact. Waléran admet l'existence d'un Conseil de dix vassaux. À la mort de Waléran, Ermensinde prend sa succession à titre personnel. C'est une période de paix et de consolidation intérieure. Ermensinde mène une politique d'affranchissement en octroyant des lettres de franchise à Echternach, Thionville et Luxembourg. Une série de maisons religieuses sont fondées.
La maison de Luxembourg-Limbourg
L'héritage d'Ermensinde va à ses enfants : Henri le Blondel, l'aîné, reçoit le Luxembourg, Arlon et Laroche, Gérard, le cadet, devient comte de Durbuy. Thionville et Namur sont pris par les filles. La dynastie de Luxembourg-Limbourg allait compter 8 souverains?
Henri V le Blondel mena une politique d'expansion. Époux de Marguerite de Bar, il entre en conflit avec son beau-frère Thibaut II pour la seigneurie de Ligny. Fait prisonnier, il ne doit sa délivrance qu'à l'intervention du pape Clément IV auprès de Saint Louis et au paiement d'une forte rançon. Saint Louis arbitre le conflit et Ligny revient à Waléran, fils d'Henri V, qui fonde la branche française des Luxembourg. Henri V parvient à obtenir la souveraineté sur bon nombre de seigneuries limitrophes. À sa mort en 1281, le Luxembourg s'étend de la Moselle à la Meuse.
Henri VI succède à son père. Il reprend la lutte contre Trèves en 1286 et veut contrôler à partir de la ville franche de Grevenmacher le trafic fluvial de la Moselle. L'archevêque de Trèves l'excommunie. Henri VI s'embourbe aussi dans la guerre de succession de Limbourg où il s'oppose à son parent Brabant. Il combat à Worringen en 1288 et meurt les armes à la main avec trois de ses frères. La défaite de Worringen laisse le Luxembourg appauvri et affaibli.
À la mort de son père, Henri VII a treize ans. Sa mère Béatrice d'Avesnes assure la régence jusqu'au mariage d'Henri VII et de Marguerite de Brabant, qui scelle la réconciliation entre les deux maisons. Élevé avec soin à la cour de la reine de France, parlant le français, l'allemand et le latin, il prend exemple sur Saint Louis et tente de maintenir la paix dans le comté. Pourtant, dès le début de son règne, les problèmes avec Trèves reprennent, essentiellement sur des questions commerciales. En 1307, après un accord de paix avec Trèves, Henri fait élire son frère Baudouin archevêque.
Les Luxembourg sur le trône impérial
En 1308, la Diète se réunit pour élire un nouvel Empereur. Henri VII, prince d'Empire, est électeur. La Diète repousse le choix Habsbourg et le choix Valois, et choisit finalement Henri VII. Il est couronné en 1309. Outre la couronne impériale, Henri gagne pour son fils le trône de Bohême, vacant depuis l'assassinat de Wenceslas III. Jean, fils d'Henri, épouse la soeur de Wenceslas III. Henri VII donne à Jean le gouvernement du comté de Luxembourg tandis qu'il se consacre à l'Empire. À sa mort en 1313, les princes électeurs préfèrent à Jean, jugé trop jeune et trop puissant, Louis, duc de Bavière. L'élection est contestée : Frédéric le Beau, duc d'Autriche, est arrivé second à une voix près. La maison de Luxembourg apporte son appui au duc de Bavière dans le conflit, mais celui-ci se révèle tyrannique et peu respectueux des engagements pris avec les Luxembourg. Ceux-ci s'allient au pape et Charles IV, fils de Jean, est élu roi des Romains après la destitution de Louis de Bavière.
Jean demeure comte de Luxembourg. À 41 ans il devient aveugle. Il s'attache à consolider son territoire et à augmenter ses capacités défensives, commençant ainsi les travaux de la troisième enceinte de la ville de Luxembourg. Il supprime les taxes sur le trafic des marchandises et conclut une entente commerciale avec le Brabant. Le 20 octobre 1340, il institue une grande foire annuelle, existant encore aujourd'hui, la Schobermesse. En 1346, lorsque la guerre de Cent ans éclate, il va combattre aux côtés du roi de France Philippe VI. Il meurt à Crécy.
D'un deuxième lit est né Wenceslas, à qui Jean l'Aveugle a attribué la succession luxembourgeoise. Quand son père meurt, Wenceslas a 9 ans. L'Empereur son demi-frère administre le comté. Éduqué à la française, fin lettré, Charles VI n'aime guère combattre. Il gouverne l'Empire avec les électeurs et promulgue en 1356 la Bulle d'Or pour assurer une stabilité politique à l'Empire. La même année, il accorde au Luxembourg la Bulle d'Or luxembourgeoise qui protège les bourgeois contre les exactions des seigneurs. Il confirme à Luxembourg son ancienne franchise, mais vend à son oncle l'archevêque de Trêves Echternach, Bitbourg, Remich et Gravenmacher pour financer ses États de Bohême. En 1353, Charles rend à Wenceslas le Luxembourg, lui confère le rang de prince d'Empire et la couronne ducale.
Wenceslas se lance dans une politique de consolidation de son duché : il rachète les territoires engagés par Charles et étend ses terres. Il convoque pour la première fois une assemblée des États. Il meurt en 1383 sans postérité , et le duché passe à son neveu Wenceslas II, fils de Charles VII. Celui-ci, peu doué pour la politique, succède à son père sur le trône impérial mais est destitué au profit de son frère Sigismond. Resté roi de Bohême et duc de Luxembourg, Wenceslas II se désintéresse de ses possessions luxembourgeoises et engage le duché à son cousin Josse de Moravie, lequel ne s'y rend jamais, et engage à son tour le duché à Louis d'Orléans, frère de Charles VI. Celui-ci tente de gouverner le Luxembourg mais est assassiné peu après : le duché retourne à Josse, puis à Wenceslas II. Il est incapable d'y ramener la paix et le cède à son jeune frère Jean de Görlitz. À la mort de Wenceslas II, la possession du duché et le titre passent à la fille de Jean, Élisabeth de Bourgogne, sous la tutelle de Sigismond, roi des Romains, fils de Wenceslas II. À la mort de Sigismond, le duché passe à sa fille Élisabeth, épouse du duc d'Autriche. Celle-ci vendit le duché en 1441 à Philippe le Bon contre 120.000 florins, par le traité de Hesdin. Le Luxembourg se trouve donc désormais englobé dans l'«empire» bourguignon.
Jean-Marie Kreins, Histoire du Luxembourg, PUF, coll. « Que sais-je ? », 2e édition (1999).