Het oorspronkelijke, uit 1859 daterende, station was geheel van hout. Het huidige station, opgetrokken in een neo-barokstijl, is gebouwd tussen 1907 en 1913 en is recent geheel gerenoveerd en gemoderniseerd.
Treinen
Nationaal
Het station is het knooppunt voor de binnenlandse treinen van de nationale spoorwegmaatschappij CFL. De CFL rijdt enkel RB- en RE-treindiensten. Bijna alle CFL-treinen binnen het Groothertogdom doen station Luxemburg aan. De CFL-treinen hebben allen station Luxemburg als eindbestemming. Vertrekkende uit Luxemburg hebben ze onder andere de volgende eindbestemmingen: Troisvierges, Diekirch, Rodange en Wasserbillig.
Behalve het grootste knooppunt van de CFL, is het station een knooppunt in het internationale treinverkeer. Vanuit alle richtingen eindigen grensverbindingen in het station, vanuit België, Frankrijk en Duitsland.
Tot en met DB-dienstregeling 2014 reden er ook Intercity's naar Station Norddeich Mole. Deze zijn echter met ingang van DB-dienstregeling 2015 opgeheven wegens een te beperkte capaciteit op de Moselstrecke.