W czasach rzymskich na płaskowyżu nad rzekami Alzette i Pétrusse krzyżowały się dwie drogi. Wokół tego skrzyżowania zbudowano okrągłą drewnianą palisadę, która mogła zapewnić ochronę rolnikom z regionu w razie niebezpieczeństwa. Niedaleko tego miejsca, na cyplu Bock, znajdowała się niewielka rzymska fortyfikacja "Lucilinburhuc" (Mały Zamek). Po odejściu Rzymian fortyfikacja popadła w ruinę, a w 723r. została scedowana na opactwo św. Maksymina w Trewirze. Istnieją ślady rzymskiej wieży strażniczej z IVw. w pobliżu Targu Rybnego (lb. Fëschmaart), historycznego centrum otoczonego murami miasta.

Dwa wieki później Zygfryd, hrabia Ardenne, szukał lokalizacji dla zamku zdolnego wytrzymać każdy atak, który służyłby jako centralny punkt jego posiadłości. Po tym, jak nie udało mu się zdobyć upatrzonego wcześniej miejsca, zwrócił się do opata św. Maksymina o zakup nieruchomości położonej wysoko na klifie Bock (fr. Rocher du Bock) nad rzeką Alzette, opisanej jako "zamek o nazwie Lucilinburhuc" (łac. castellum quod dicitur Lucilinburhuc). 7 kwietnia 963r. Zygfryd nabył to miejsce w zamian za część innych swoich posiadłości. Na cyplu Bock zbudował mały zamek, który był połączony z płaskowyżem mostem zwodzonym. Z czasem na płaskowyżu wyrosła osada.

W 987r. na pobliskim Targu Rybnym została zbudowana kaplica zamkowa (dzisiejszy kościół św. Michała stoi w tym samym miejscu).

W XIw. zamek stał się rezydencją hrabiów Luksemburga. Rycerze i żołnierze kwaterowali na skalistym występie, podczas gdy rzemieślnicy i kupcy osiedlali się na obszarze pod nim, tworząc długotrwałe rozróżnienie społeczne między górnym i dolnym miastem. Osada rozrosła się do miasta w XIIw., kiedy to była chroniona przez mur miejski.

Wzmocnienie pierwotnych prostych fortyfikacji, które rozpoczęło się w 1320r. pod rządami Jana Luksemburskiego, trwało do końca XIVw. Zbudowano drugi mur miejski, który obejmował również tereny płaskowyżu Rham.

W XVw. rozpoczął się dla Luksemburga, który został podniesiony z hrabstwa do księstwa w 1354r., okres obcej okupacji, trwający kilka następnych stuleci - był rządzony przez Burgundów, Francuzów oraz hiszpańskich i austriackich Habsburgów. W tym czasie zamek był wielokrotnie uszkadzany, niszczony, zdobywany i odbudowywany oraz rozbudowywany i dostosowywany do ówczesnych wymogów wojskowych.

W konflikcie pomiędzy cesarzem Karolem V a królem Francji Franciszkiem I, toczącym się w latach 1542-1544, zamek został uszkodzony, a nawet zniszczony, czy to przez Francuzów, czy przez samego Karola V ze względów strategicznych. W 1549r. pozostałości usunięto w celu stworzenia lepszej fortyfikacji. Inne źródło podaje, że zamek w latach 1542-1544 uległ jedynie niewielkim zniszczeniom, po czym ponownie go naprawiano, tak że istniał w 1549r. i później.

Wiadomo natomiast, że w latach 40. XVIw. włoscy i holenderscy inżynierowie pod wodzą Karola V zbudowali pierwsze bastiony, połączone murami kurtynowymi. Rów został powiększony z 13 do 31m. Dodano również raweliny. W 1554r. wielka eksplozja prochu armatniego poważnie zniszczyła zabudowania średniowieczne, co było początkiem stopniowej degradacji zamku.

W latach 40. XVIIw. szwajcarski inżynier Isaac von Treybach znacząco przebudował obronę. Kazał wykuć w kamieniu zachodnie mury obronne, dodał raweliny, kontrstraże przed bastionami i krytą drogę. Bock został przekształcony w trzy oddzielne forty (z zachodu na wschód) - Duży, Średni i Mały Bock (lb. Grouss-Bock, Mëttel-Bock, Kleng-Bock), oddzielone od siebie wycięciami w skale i połączone mostami. Mury klifowe wokół reszty miasta również zostały wzmocnione, zwłaszcza na południu, poprzez budowę dużego Bastionu Beck (nazwanego na cześć gubernatora, barona Johanna von Becka, rodowitego mieszkańca miasta) i różnych innych obiektów dominujących nad Doliną Pétrusse. W rezultacie niewiele pozostało ze średniowiecznego zamku.

W skale pod murami zaczęto wykuwać pierwsze kazamaty, wykorzystując średniowieczne piwnice w skale.

W latach 70. XVIIw. obok Bastionu Beck zbudowano silną półbasztę zwaną Rawelin Pate, jedna z niewielu dobrze zachowanych fortyfikacji), a na zachodzie dodano linię czterech redut, wokół których znajdowała się głęboka fosa i które mogły służyć jako druga linia obrony. Wieże te, dla wzmocnienia ich oporu, zostały częściowo podkopane i połączone z twierdzą oraz ze sobą podziemnymi przejściami i galerią pod przeciwskarpą. Pracami kierował inżynier twierdzy luksemburskiej, późniejszy tymczasowy gubernator miasta, Jean Charles de Landas hrabia Louvigny, który zbudował także pierwsze koszary w mieście. Louvigny planował również budowę umocnień po drugiej stronie Dolin Pétrusse i Alzette, ale Hiszpanom brakowało na to funduszy.

W 1684r. francuskiemu marszałkowi de Vauban udało się zdobyć miasto Luksemburg podczas miesięcznego oblężenia, pod koniec którego ziemia przed zachodnim sektorem była usiana okopami, wiele umocnień zostało uszkodzonych, a Bock został zrównany z ziemią przez francuskie działa.

W latach 1684-1688 Vauban, być może najbardziej kompetentny inżynier fortyfikacji swoich czasów, podjął się naprawy i wzmocnienia fortyfikacji, które niedawno atakował. Rozpoczął masowy projekt przebudowy i rozbudowy twierdzy, wykorzystując ponad 3000 ludzi. W ciągu kilku lat Francuzi wydali ogromne sumy pieniędzy, przekształcając Luksemburg w jedną z najpotężniejszych fortec w Europie.

Zaawansowane fortyfikacje zostały umieszczone na wzgórzach wokół miasta: forty Niski i Wysoki Zielony Las (lb. Niedergrünewald, Obergrünewald) z bastionami, rawelinami i rogatką.

Oba forty nie były odizolowane, ale zostały zintegrowane z resztą obrony za pomocą murów komunikacyjnych, posiadających bramy, m.in. Dębową (lb. Eecher Paart) i Chorych (lb. Sichepaart), znane jako Wieże Vaubana (lb. Tierm Vauban), zbudowane jako wysokie, solidne kamienne wieże z otworami strzelniczymi, wystarczająco mocne, aby powstrzymać wroga. Na prawie całej swojej długości mur był otoczony głębokim suchym rowem i mógł być broniony przez muszkieterów strzelających przez luki. Brak obrony artyleryjskiej dla tego muru komunikacyjnego został zrekompensowany przez działa umieszczone w fortach.

U zbiegu dwóch rzek, wewnątrz miasta, w jednej z najbardziej niedostępnych części fortyfikacji, jako ostateczne schronienie powstała Cytadela Świętego Ducha (fr. Citadelle du Saint-Esprit). Od strony zachodniej, południowej i wschodniej chroniły ją klify stromych Dolin Pétrusse i Alzette.

Jedyną częścią nie chronioną przez klify był północny front, który wychodził na miasto. Vauban przebudował istniejące mury nad klifami, nadając miejscami dodatkową warstwę obronną. Dla północnego frontu zbudował dwa bastiony i raweliny z głębokim rowem.

Stare hiszpańskie mury obronne po południowej stronie doliny zostały odbudowane, tym razem z kamienia. Naprzeciwko Bastionu Beck zbudowano Fort Bourbon, a pomiędzy nim a rogatką Redutę Bourbon. Te trzy obiekty były połączone krytą drogą.

Vauban przebudował również Bastion Beck, czyniąc go znacznie wyższym i dobudował trzy nowe reduty w przerwach między czterema wcześniej istniejącymi.

Sam Bock, który został w dużej mierze zniszczony podczas oblężenia, został odbudowany do poprzedniej formy. Duży Bock został dodatkowo wzmocniony i połączony ze Starym Miastem drewnianą konstrukcją, zawierającą most zwodzony. Otoczony murem o wysokości 12m był głównym elementem nowej fortecy. Aby chronić podejścia do Bock, na wschodzie została zbudowana kolejna reduta.

Vauban znacznie rozszerzył kontrolę wojskową nad przestrzenią miejską, włączając dzielnicę Pafendall do obrony, na Płaskowyżu Rham zbudował Redutę Rumigny oraz tam i na Płaskowyżu Świętego Ducha nowe koszary, aby pomieścić większy garnizon, potrzebny do obsadzenia nowych fortyfikacji.

Oprócz tych struktur, twierdza obejmowała również system kazamatów, które powstały w piwnicach średniowiecznego zamku. Pierwsze zostały zbudowane w 1644r. pod rządami Hiszpanów, a następnie rozbudowane przez Francuzów, kiedy Vauban zdał sobie sprawę, że podziemne przejścia i komnaty były równie ważne jak instalacje naziemne.

Na początku XVIIIw., po przejęciu Luksemburga, Austriacy przeprowadzili dalsze prace mające na celu powiększenie i wzmocnienie twierdzy Luksemburg. Dobudowali kilka fortów zewnętrznych, m.in. w 1732r. Fort Thüngen, do którego włączono niewielką Redutę Parkową (fr. Redoute du Parc) z czasów francuskich. Fort został nazwany na cześć austriackiego dowódcy twierdzy, Adama von Thüngen. Austriaccy inżynierowie zamknęli dolinę śluzami. Reduta Bourbon i Fort Bourbon zostały uzupełnione przez Fort Elisabeth. Zbudowano więcej redut do obrony podejść do płaskowyżu Rham oraz fortów Niskiego i Wysokiego. Na tyłach każdego fortu Austriacy zbudowali redutę, która służyła jako wartownia.

Dotychczasowa drewniana konstrukcja z mostem zwodzonym, łącząca Bock ze Starym Miastem, została zastąpiona wybudowanym w 1735r. dwupiętrowym Mostem Zamkowym (fr. Pont du Château). Z technicznego punktu widzenia była to dość ciekawa konstrukcja. Zapewniała nie mniej niż cztery sposoby przejścia między klifami: drogę nad szczytem, przejście przez cztery górne łuki, spiralne schody w górę przez główny łuk i tunel pod drogą na dole.

Wewnątrz Bastionu Beck wybudowano klatkę schodową, tzw. "austriacką" (lb. Éisträichesch Trap), schodzącą w dolinę. Korytarz prowadził przez śluzę na drugą stronę, do Fortu Bourbon. W ten sposób istniało ciągłe podziemne połączenie pomiędzy fortyfikacjami wewnętrznymi i zewnętrznymi.

Oprócz mnożenia fortyfikacji najbardziej znaczącą pracą, podjętą przez Austriaków, była rozbudowa kazamatów. W latach 1744-1751 Kazamaty Bock (lb. Bock-Kasematten) i Kazamaty Pétrusse (lb. Péitruss-Kasematten) zostały znacznie powiększone przez generała Neipperga. Główny korytarz miał 110m długości i do 7m szerokości. W podziemnych komorach i nadbudowie na szczycie skały znajdowało się łącznie około 50 dział, w tym w kazamatach nie mniej niż 25. Ich położenie w skale czyniło je niemal niewrażliwymi na ogień wroga. W razie wojny Kazamaty Bock o powierzchni 1100m² mogły służyć jako koszary dla kilkuset żołnierzy. Woda była dostarczana ze studni o głębokości 47m.

Istniały również tunele łączące trzy sekcje Bock ze sobą i z miastem, na wypadek zniszczenia mostów.

Twierdza miała teraz potrójną linię obrony ze wszystkich stron.

W 1815r. Luksemburg stał się członkiem Konfederacji Niemieckiej, a luksemburska twierdza stała się "twierdzą federalną". Prusy otrzymały prawo do mianowania gubernatora twierdzy, a garnizon składał się w 3/4 z wojsk pruskich i w 1/4 z wojsk niderlandzkich. W rzeczywistości garnizon składał się wyłącznie z żołnierzy pruskich, Królestwo Niderlandów nigdy nie zapewniło swojej jednej czwartej garnizonu. Później traktat luksembursko-pruski z 1856r. dał Prusom wyłączne prawo do stacjonowania wojsk w Luksemburgu. W rezultacie do 1867r. około 4 tys. pruskich oficerów, podoficerów i żołnierzy stacjonowało wśród społeczności liczącej około 10 tys. cywilnych mieszkańców.

Luksemburg był "najbardziej wysuniętym na zachód bastionem Prus", dlatego też Prusacy dobudowali kolejne forty oraz zmodernizowali istniejącą obronę, w tym Fort Thüngen, który otrzymał trzy kultowe wieże zwieńczone statuetkami żołędzi. Od tamtej pory Fort potocznie zwany jest jako Trzy Żołędzie (lb. Dräi Eechelen, fr. Trois Glands). Planowano budowę czwartej linii obrony, kilka kilometrów od miasta, nie doszło to jednak do skutku.

W swojej ostatecznej formie Twierdza Luksemburg składała się z trzech murów obronnych, zajmujących około 180 ha w czasie, gdy miasto zajmowało tylko 120 ha. Wewnątrz znajdowała się duża liczba bastionów, z 15 fortami wewnętrznymi i kolejnymi 9 zewnętrznymi. Sieć 23km podziemnych korytarzy łączyła ponad 40.000m² przestrzeni odpornej na bomby (do dziś zachowało się 17km).

Twierdza Luksemburg w rzeczywistości nigdy nie została zdobyta siłą. W 1443r. Filip Dobry zdobył ją bez sprzeciwu, a w 1794r., podczas francuskich wojen rewolucyjnych, miasto przez siedem miesięcy opierało się francuskiemu oblężeniu. Kiedy garnizon w końcu się poddał z powodu głodu, mury wciąż były niezdobyte. Doprowadziło to do tego, że francuski polityk i inżynier Lazare Carnot nazwał luksemburską twierdzę "najlepszą na świecie, oprócz Gibraltaru". W rezultacie często nazywano ją Gibraltarem Północy (fr. Gibraltar du Nord).

W 1867r. Francja starała się wzmocnić swoją wschodnią granicę, kupując Księstwo Luksemburga od Królestwa Niderlandów, uzyskując w ten sposób kontrolę nad twierdzą. Prusacy sprzeciwili się temu i odmówili wycofania własnych wojsk z Luksemburga. Żadna ze stron nie chciała się wycofać, a wojnie zapobiegło dopiero podpisanie traktatu londyńskiego. Uznawał on Luksemburg za państwo neutralne i wymagał zburzenia twierdzy oraz opuszczenia jej przez pruski garnizon w ciągu trzech miesięcy. Wojska pruskie ostatecznie opuściły twierdzę 9 września 1867r.

Ogólnie rzecz biorąc, zlikwidowane twierdze zwykle przechodziły na własność zainteresowanych miast. Jednak w Luksemburgu chęć przestrzegania postanowień traktatu londyńskiego i obawa przed uwikłaniem w przyszłą wojnę francusko-niemiecką spowodowały, że rząd podjął się realizacji projektu w imieniu miasta. Sprzedaż gruntów twierdzy miała sfinansować koszty rozbiórki i rozwoju urbanistycznego miasta. Międzynarodowa komisja przeprowadziła inspekcję prac rozbiórkowych w 1883r,, ujawniając brak doświadczenia rządu w tego typu pracach. Państwo musiało wybrać między "zachowaniem wszystkiego" a "zrównaniem wszystkiego z ziemią".

Rozbiórka twierdzy, wraz z jej kazamatami i fortyfikacjami naziemnymi, trwała 16 lat (1867-1883) i kosztowała 1,5 miliona franków w złocie. Proces ten był nieco chaotyczny: często części twierdzy były po prostu wysadzane w powietrze, materiały użytkowe zabierane przez lokalnych mieszkańców, a resztę zasypywano ziemią. Kazamaty częściowo zostały wysadzone, aby uczynić je bezużytecznymi, ponieważ nie można było ich zburzyć, częściowo zostały tylko zamurowane wejścia i otwory strzelnicze.

W przedsięwzięciu nie zabrakło kwestii społecznych. Stare koszary służyły jako mieszkania dla robotników zatrudnionych przy pracach rozbiórkowych. Do udziału w tych pracach nie były wymagane żadne kwalifikacje, w czasach spowolnienia gospodarczego dodatkowe projekty rozbiórki twierdzy dawały pracę bezrobotnym. Rozbiórka stała się wielkim widowiskiem, celebracją nowych technologii i ambitnych projektów.

Prace rozbiórkowe, które dziś mogą być postrzegane jako zniszczenie zabytku historycznego, w tamtych czasach były postrzegane jako akt wyzwolenia. Twierdza była bardzo widocznym symbolem obcej dominacji, a dodatkowo różni zarządzający twierdzą zabraniali budowania nowych domów, aby nie wpływać na obronną strategię wojskową w sercu twierdzy. Kiedy "gorset" fortyfikacji zniknął, miasto mogło się rozwijać po raz pierwszy od XIVw.

Na szczęście niektóre budynki zostały jednak zachowane dla przyszłych pokoleń. Wiele pozostałości zostało przywróconych do pierwotnego wyglądu, często odbudowanych od fundamentów i prawdopodobnie z naruszeniem traktatu londyńskiego! :)