80 Jahre ununterbrochene Präsenz in Luxemburg lassen die Österreicher zu den aktivsten Bauherren der Festung werden. In mehreren Phasen verstärken sie die Anlagen Vaubans. Ein dritter Festungsgürtel vervollständigt das Verteidigungssystem. Ein weitverzweigtes Netz von Galerien, Minengängen und in den Felsen gehauenen Geschützkasematten soll die unterirdische Verteidigung gewährleisten. Drei befestigte Schleusen schützen die Täler. Die Festung wird zu einer der größten Anlagen in den Österreichischen Niederlanden ausgebaut. Die Garnison besteht aus wallonischen und deutschen Regimentern, die häufiger wechseln.
Unter Erzherzogin Maria-Theresia (1740–1780) erlebt das Herzogtum eine Blütezeit, die von Reformen und wirtschaftlichem Aufschwung geprägt ist.
Im November 1794 beginnen französische Revolutionstruppen mit der Blockade des „Gibraltar des Nordens“. Der 82-jährige Feldmarschall Bender befehligt zu dieser Zeit die Festung Luxemburg, die letzte der Österreichischen Niederlande. Sie muss um jeden Preis gehalten werden. Die knapp 12.000 Mann der Garnison und die Luxemburger Jäger stehen 39.000 Franzosen gegenüber. Es gibt nur kleinere Scharmützel, die Festung wird ausgehungert und muss sich nach 8 Monaten ergeben. Am 7. Juni 1795 erfolgt die Kapitulation.
Das revolutionäre Frankreich annektiert am 1. Oktober 1795 die Österreichischen Niederlande. Das Herzogtum Luxemburg wird zum Wälderdepartement (Département des Forêts) mit Verwaltungssitz in Luxemburg-Stadt umstrukturiert und dem französischen Staatsgebiet zugeschlagen. Luxemburg wird zur Binnenfestung, an der kaum noch Bauarbeiten ausgeführt werden. Während in Luxemburg nur noch eine bescheidene französische Garnison stationiert ist, werden Luxemburger Wehrpflichtige in großem Umfang eingezogen. Die Aushebung von fünf Jahrgängen für die französische Armee führt im Oktober 1798 zum Klöppelkrieg, einem Bauernaufstand, der schnell niedergeschlagen wird. Unter dem Konsulat Napoleons verbessert sich die Lage zusehends. Am 9. Oktober 1804 reist Napoleon nach Luxemburg, um die Festungswerke zu begutachten. Dort wird er mit allen Ehren empfangen. Viele Luxemburger werden sogar in der Grande Armée dienen, wie Michel Eiffes, der Teil des Exekutionskommandos vom Tiroler Freiheitskämpfer Andreas Hofer war. Die ansonsten von sozialen und rechtlichen Fortschritten geprägte Zeit findet am 3. Mai 1814 mit dem Abzug der Franzosen ihr Ende.
