Infolge der Auflösung des Deutschen Bundes 1866 erheben sowohl Preußen aufgrund der preußischen Garnison als auch der französische Kaiser Napoleon III. Ansprüche auf den Erwerb der Festung. Der Statthalter des Königs der Niederlande in Luxemburg, Prinz Heinrich, bringt eine luxemburgische Garnison und die Neutralität des Großherzogtums ins Spiel. Angesichts eines drohenden preußisch-französischen Konfliktes wird 1867 eine europäische Konferenz in London einberufen, die die Idee weiterverfolgt und beschließt, dass die Festung geschleift und Luxemburg neutral werden soll. Vertreter der sechs europäischen Großmächte Großbritannien, Frankreich, Preußen, Österreich, Italien und Russland unterzeichnen am 11. Mai 1867 den Vertrag von London.
Am 9. September 1867 verlassen die letzten preußischen Truppen die Festung. Arsenale und Magazine werden geräumt, Kanonen, Pulver und andere Waffen auf preußisches Gebiet verbracht, veraltetes Material wird öffentlich versteigert.
Die äußerst kostspieligen Schleifungsarbeiten beginnen mit den Durchbrüchen für die großen Ausfallstraßen in der Oberstadt, wie die Avenuen Monterey und Porte Neuve. Bollwerke werden gesprengt und Gräben mit dem Abraum verfüllt. Bauholz, Türen, Steine, Eisen werden verkauft oder finden in Neubauten Verwendung. Es dauert ganze 16 Jahre, um in einem organisatorischen Kraftakt 400 Jahre Baugeschichte der Festung größtenteils verschwinden zu lassen. Am 22. Mai 1883 wird die Schleifung mit einem feierlichen Akt beendet.
Nach der erfolgten Neutralitäts- und Unabhängigkeitserklärung Luxemburgs wird die Verfassung 1868 ein viertes Mal geändert. Der König-Großherzog behält aber weiterhin weitreichende Befugnisse: er übt die Exekutivgewalt aus und ist weiterhin Mitinhaber der gesetzgebenden Gewalt. 1890 wird Adolph von Nassau im Alter von 73 Jahren Großherzog von Luxemburg. Damit endet die seit 1815 bestehende Personalunion zwischen den Niederlanden und Luxemburg. Er hatte sein Herzogtum Nassau-Weilburg 1866 nach dem Preußisch-Österreichischen Krieg verloren. Wohnsitz der Dynastie ist Schloss Berg, Amtssitz wird das eigens zu diesem Zweck umgebaute Palais am Krautmarkt. Adolph kommt allerdings nur gelegentlich nach Luxemburg. 1905 übernimmt sein Sohn Guillaume IV. die Regierungsgeschäfte.
Der Großherzog überlässt seinem Staatsminister Paul Eyschen (1888-1915) alle wichtigen politischen Entscheidungen. Im Schulwesen und in der Sozialpolitik setzt sich Eyschen für zahlreiche Reformen ein. Ihm verdankt Luxemburg auch den Erhalt von einigen besonders markanten und pittoresken Teilen der Festung. 1881 wurde das Abgeordnetenhaus vergrößert, galt allerdings schon damals als zu klein.
Neben den alteingesessenen Fabriken, wie der Textilmanufaktur Schleifmühle, siedeln sich neue Industrien an, nicht zuletzt dank der neuen Transportmöglichkeiten per Eisenbahn. Insbesondere die Stahlindustrie sorgt für einen wirtschaftlichen Aufschwung im Land. Nachdem die Gesellschaft Metz & Cie 1879 das Patent für den Thomas-Konverter erworben hat, errichtet sie 1885 eine Eisenhütte in Düdelingen, in der Nähe der Erzvorkommen.
