Burgundische Truppen erobern 1443 die Stadt, das Herzogtum wird zunächst Teil des aufstrebenden burgundischen Machtgefüges. Die Stadt Luxemburg wird 1542 und 1543 zweimal vorübergehend von den Franzosen eingenommen, verbleibt aber in spanischem Besitz. Das Herzogtum fällt mit der Abdankung Kaiser Karls V. im Jahr 1555 an seinen Sohn Philipp II. und bildet fortan eine der 17 Provinzen der von Brüssel aus verwalteten Spanischen Niederlande. Stadt und Herzogtum werden zum Zankapfel im langanhaltenden Konflikt zwischen Spanien und Frankreich.
Die kontinuierliche Verbesserung der Geschütze treibt die Weiterentwicklung in der Festungsbaukunst voran. Bei den Gefechten Mitte des 16. Jahrhunderts können die veralteten Stadtmauern den modernen Geschützen nicht mehr standhalten. Man beginnt, die Befestigungen niedriger und dafür breiter zu bauen. Daraus resultieren die sogenannten Bastionen – fünfeckige Plattformen ohne tote Winkel. Italienische Ingenieure verbreiten das neue Bastionärsystem in ganz Europa. Franz I. beauftragt Girolamo Marini mit dem Bau der ersten Bastion in Luxemburg. So entsteht ab 1543 unterhalb des Fischmarkts, gegenüber dem Bockfelsen, die Schlossbastion. Es werden bald weitere folgen.
Sowohl militärisch als auch kulturell wird die Epoche der Renaissance in Luxemburg durch den Gouverneur Peter Ernst von Mansfeld geprägt. Vor den Toren der Stadt, in Clausen, lässt er ein prächtiges Anwesen errichten.
