Bên trong lãnh thổ của Đại Công quốc Luxembourg, đã có một số bằng chứng về những cư dân nguyên thủy có niên đại từ thời đồ đá cổ hoặc thời đồ đá cũ hơn 35,000 năm trước đã cư ngụ tại đây. Các cổ vật lâu đời nhất từ ​​thời kỳ này là xương trang trí được tìm thấy tại Oetrange.

Tuy nhiên, bằng chứng thực sự đầu tiên của nền văn minh là từ thời kỳ đồ đá mới hoặc thiên niên kỷ thứ 5 trước Công nguyên, tại đó bằng chứng về những ngôi nhà đã được tìm thấy. Dấu vết đã được tìm thấy ở phía nam của Luxembourg tại Grevenmacher, Diekirch, Aspelt và Weiler-la-Tour. Các ngôi nhà được làm bằng sự kết hợp của thân cây làm kết cấu cơ bản, tường đan lát bằng bùn và mái bằng lau sậy hoặc rơm. Đồ gốm thời kỳ này cũng đã được tìm thấy gần Remerschen.

Mặc dù không có nhiều bằng chứng về các cộng đồng ở Luxembourg vào đầu thời đại đồ đồng, một số địa điểm có từ thế kỷ 13 đến thế kỷ thứ 8 trước Công nguyên cung cấp bằng chứng về nhà ở và tiết lộ các đồ tạo tác như gốm, dao và đồ trang sức. Các khu vực bao gồm Nospelt, Dalheim, Mompach và Remerschen.

Tại Luxembourg người Celts từ Thời đại đồ sắt (từ khoảng năm 600 TCN cho đến năm 100 CN) đã xuất hiện cư ngụ.

Các bộ lạc người Gaul cũng tồn tại trong và sau thời kỳ La Tène còn được gọi là Treveri; đã đạt đến đỉnh cao thịnh vượng trong thế kỷ 1 TCN. Treveri đã xây dựng một số khu định cư oppida, làng kiên cố thời đại đồ sắt, gần thung lũng Moselle nay là miền nam Luxembourg, miền tây Đức và miền đông Pháp. Hầu hết các bằng chứng khảo cổ từ thời kỳ này đã được phát hiện trong các ngôi mộ, gắn liền mật thiết với khu Titelberg, một khu vực 50 ha tiết lộ nhiều về nhà ở và thủ công mỹ nghệ của thời kỳ này.

La Mã, dưới sự lãnh đạo của Julius Caesar, đã hoàn thành cuộc chinh phạt và chiếm đóng Luxembourg vào năm 53 TCN. Tài liệu tham khảo đầu tiên được biết đến về lãnh thổ của Luxembourg ngày nay do Julius Caesar chiếm đóng trong các Ghi chép chiến tranh Gallic.[1] Treveri hợp tác với người La Mã nhiều hơn hầu hết các bộ lạc Gaul, và sẵn sàng tiếp nhận nền văn minh La Mã. Hai cuộc nổi dậy trong thế kỷ 1 CN đã không làm suy giảm mối quan hệ thân mật của họ với Rome. Vùng đất của Treveri là phần đầu tiên của tỉnh Gallia Celtica, nhưng với sự cải cách của Domitian năm 90, được trao lại cho tỉnh Gallia Belgica.

Gallia Belgica đã bị xâm chiếm bởi Đức Franks từ thế kỷ thứ 4, và mất khỏi tay Rome năm 406. Những năm 480, trở thành một phần của Merovingia Austrasia và cuối cùng trở thành một phần của Đế quốc Carolingian.Với Hiệp ước Verdun (843), trở thành một phần Trung Francia, và năm 855, là của Lotharingia. Với sự phân chia vào năm 959, thuộc Công quốc Thượng Lorraine Đế quốc La Mã Thần thánh.