La cathédrale Notre-Dame de Luxembourg (en allemand Kathedrale unserer lieben Frau in Luxemburg) est le siège de l'archevêché de Luxembourg, située à Luxembourg-Ville.
L'histoire de la cathédrale est liée à celle de la Compagnie de Jésus. En 1594, des Jésuites s'installent à Luxembourg, ville qui faisait alors partie des Pays-Bas espagnols. Ils y ouvrent un collège en 1603. Le développement rapide d'activités pastorales et spirituelles dans la ville conduisent à la décision de construire une grande église, qui sera également celle du collège y attenant. Les plans sont dressés par le frère jésuite Jean Du Blocq. Le 7 mai 1613, François Aldenard, recteur du collège, en pose la première pierre. Les travaux durent huit ans.
Le 17 octobre 1621, l'église est solennellement consacrée par l'évêque de Trèves, Georg von Heiffenstein, et dédiée à l'Immaculée Conception. De nombreux parachèvements et aménagements ont encore lieu dans des années - et même décennies - qui suivent, surtout en ce qui concerne le mobilier (confessionnaux) et la décoration intérieure.
En 1773, la Compagnie de Jésus est supprimée par le pape Clément XIV. Leur église à Luxembourg devient, en 1778, une église paroissiale, sous le nom de Saint-Nicolas-et-Sainte-Thérèse. En 1794, l'église accueille la statue miraculeuse de Notre-Dame, Consolatrice des Affligés (voir ci-dessous), qui se trouvait auparavant dans une chapelle hors de l'enceinte de la ville.
En 1801, l'église change à nouveau de nom: elle est cette fois dédiée à saint Pierre, avant de retrouver sa dédicace à la Vierge Marie en 1848.
Après la Crise luxembourgeoise de 1867 l’état 'neutre et indépendant' du Grand-Duché est créé. Il s’ensuit que le diocèse de Luxembourg est érigé (27 septembre 1870), et l’église de l’ancien collège jésuite en devient la cathédrale. Un siècle plus tard, en 1988, Luxembourg devient un archidiocèse.
Au XXe siècle, un agrandissement de la cathédrale fut décidé et l'architecte Hubert Schumacher fut chargé de sa réalisation. Les travaux commencèrent le 12 mai 1935 et se poursuivirent jusqu'en 1938. Le chœur fut réaménagé en 1962–1963, suite à quoi la cathédrale fut de nouveau consacrée le 8 décembre 1963, jour de la fête de l'Immaculée Conception.
La crypte qui fait partie de l'agrandissement de la cathédrale au XXe siècle est dédiée à saint Pierre. Elle fait fonction de nécropole de la famille grand-ducale et contient les tombeaux des évêques de Luxembourg.
C'est dans cette crypte que Jean l'Aveugle, roi de Bohême et comte de Luxembourg a trouvé son dernier repos. Ce chevalier infatigable que l’on retrouve un peu partout en Europe, qu’il s’agisse de son comté natal ou du royaume de Bohême, de l'Allemagne où il fut le lieutenant de son père ou en Italie du Nord, à la cour et sur les champs de bataille des rois de France ou auprès des papes à Avignon ou encore en Lituanie lors des croisades de l’ordre teutonique, était le fils de l'empereur Henri VII et père de Charles IV. Il trouva la mort en 1346 au champ de bataille de Crécy au service du roi de France, dans une des premières campagnes de la guerre de Cent Ans.
La cathédrale Notre-Dame de Luxembourg, de par son histoire, est devenue un temple de la mémoire luxembourgeoise. Le caractère national de l'édifice est souligné le jour de la Fête nationale quand la cérémonie officielle organisée par le gouvernement prend la forme d'un service d'action de grâces auquel participent les autorités luxembourgeoises et le corps diplomatique.