L’enceinte médiévale détermine à demeure le périmètre de la ville. Suite à la prise de la ville par les Bourguignons en 1443, le duché est incorporé dans la sphère du pouvoir bourguignon. Le Luxembourg entre au cœur de conflits interrégionaux. Il devient un cas de litige entre l’héritier bourguignon, l’empereur Charles Quint et le roi de France, François Ier. La ville est conquise à deux reprises par les Français (1542 et 1544). Le château détruit, berceau de la maison de Luxembourg, ne sera plus reconstruit. Après 1544, le Bock devient une forte position d’artillerie. Le couvent d’Altmünster est reconstruit au Grund. Les premiers bastions – Marie (1546) et Camus (1556) – apparaissent. Les progrès de l’artillerie accélèrent le développement des nouvelles fortifications, ce qui se reflète dans les écrits théoriques fondamentaux de l’Art de la guerre.
Sous Philippe II d’Espagne, le duché est administré depuis Bruxelles. À Luxembourg, l’époque de la Renaissance est marquée par la longue présence du gouverneur P.E. de Mansfeld. A la tête de ses troupes espagnoles, il participe activement à la guerre hispano-néerlandaise. Le Luxembourg est épargné de ce conflit et la forteresse continue à être renforcée.
Dans le cadre de la Contre-Réforme, le gouvernement espagnol favorise l’implantation de l’ordre jésuite et influence ainsi l’orientation catholique du pays. La Vierge Consolatrice des Affligés est proclamée patronne de la ville en 1666, avant de devenir celle du duché en 1678.
Lors de la Guerre de Trente Ans (1618-1648), les Français assiègent Thionville espagnole. En 1639, le gouverneur Beck réussit à dégager la forteresse mais elle sera finalement conquise en 1643.
