Климат Люксембурга определяется положением его территории в Центральной Европе. Он характеризуется как умеренный, переходный от морского к континентальному. В летние месяцы территория Люксембурга, как и всей центральной части Западной Европы, находится большей частью под воздействием Азорского максимума. Зимой над герцогством проносятся атлантические циклоны. Однако атлантические воздушные потоки теряют влагу еще над арденнскими плато и уже сравнительно сухими достигают территории герцогства. Средняя годовая температура в Гутланде +8°, в Эслинге + 6,5° С, а в высокогорьях еще ниже. Период, когда дневные температуры превышают +10° С (т. е. благоприятные температуры для роста и развития растений), длится в Гутланде пять-шесть месяцев, а на севере страны, в Эслинге, — менее 1,5 месяцев. Среднее количество солнечных часов для столицы Великого Герцогства составляет 1509, а в Клерво (Арденны) — 1342. Среднее атмосферное давление — соответственно 732,4 и 721,1 мм ртутного столба. Самые сильные морозы отмечаются в Арденнах, где они довольно часто достигают -13—15° С. Средняя температура июля + 17,3°, однако в Гутланде и большей части Эслинга летом температура нередко достигает +25—30°, а в ряде случаев, особенно в долине Мозеля, +33° С.
Осадки в Люксембурге выпадают в течение года довольно равномерно, однако преобладают осенью и зимой. Их приносят с циклонами ветры с Атлантики. Осадки выпадают большей частью в виде мелкого моросящего дождя, ливни наблюдаются сравнительно редко. Суше всего в долинах Мозеля и Зауэра (в районе Гревенмахера осадков менее 700 мм). В более равнинной части Гутланда (за исключением крайнего юго-запада), годовое количество осадков меньше, чем в горном Эслинге. На северных плато среднегодовое количество осадков — 850—900 мм, а в долинах рек Зауэр, Вильц, Ур — 750—800 мм, т. е. как и на большей части Гутланда. Расстояние между гутландскими населенными пунктами Реданж и Ремих по прямой составляет всего 40 км, но разница в количестве осадков довольно значительная и достигает 300 мм.
В районах Мозеля и Нижнего Зауэра сравнительно часто выпадает град.