Дипломатичні відносини встановлено 1 липня 1992 р.

Люксембург підтримує Україну в боротьбі за суверенітет, територіальну цілісність і незалежність та засуджує збройну агресію РФ на Донбасі і окупацію Криму. Будучи непостійним членом РБ ООН (2013-2014 рр.), у розпал Революції гідності, Люксембург політично координував складні дебати на доленосних засіданнях РБ ООН, під час яких розглядалося питання ситуації в Україні. Люксембург приєднався до всіх рішень ЄС щодо обмежувальних заходів проти РФ.  18 березня 2015 року парламент Люксембургу за прискореною процедурою ратифікував Угоду про асоціацію між Україною та ЄС.

Двосторонні відносини України та Люксембургу мають прагматичний та взаємовигідний характер: ця держава проводить активну економічну зовнішню політику та зацікавлена у налагодженні повноцінного партнерства з Києвом, насамперед, у галузі сільського господарства, високих технологій та освоєння космосу.

22 жовтня 2015 р. Прем’єр-міністр Люксембургу К.Беттель здійснив робочий візит в Україну (вперше з 1997 р.), під час якого зустрівся з Президентом та Прем’єр-міністром України.

Відбувається насичений діалог на рівні міністрів закордонних справ обох держав – П.Клімкіна та Ж.Ассельборна - останній візит якого у Київ 25 березня 2019 р. засвідчив налаштованість сторін розширити спектр двосторонньої взаємодії. 5-6 грудня 2019р. відбулася перша робоча зустріч Ж.Ассельборна і Міністра В.Пристайка на полях засідання міністерського рівня ОБСЄ у Братиславі. 24 квітня 2020р. була проведена перша телефонна розмова Ж.Ассельборна і Міністра Д.Кулеби

Перспективним напрямом відносин України та Люксембургу є міжпарламентське співробітництво: після парламентських виборів у цій державі (у жовтні 2018 року) було оновлено склад відповідної «Групи дружби» на чолі з Головою Палати депутатів Герцогства Ф.Етгеном.