Le palais du Luxembourg, situé dans le VIe arrondissement de Paris au nord du jardin du Luxembourg, est le siège du Sénat français, qui fut installé en 1799 dans le palais construit au début du XVIIe siècle, à la suite de la Régence de la reine Marie de Medicis. Il appartient au domaine de cette assemblée qui comprend également, dans l'environnement immédiat du palais, l'hôtel du Petit Luxembourg, résidence du président du Sénat, la Fontaine Medicis, l'orangerie et le Musée du Luxembourg.
Le palais du Luxembourg doit son nom à l'hôtel bâti au milieu du XVIe siècle et qui appartenait à Francois de Piney, duc de Luxembourg.
La régente Marie de Médicis achète l'hôtel et le domaine dits "de Luxembourg" en 1612 et commande en 1615 la construction d'un palais à l'architecte Salomon de Brosse. Elle s'y installe en 1625, avant la fin des travaux. La partie droite du palais était réservée à la reine mère et celle de gauche à son fils, le roi Louis XIII. Une série de toiles avait été commandée à Rubens pour chacun de ces appartements mais seules treize d'entre elles destinées au logement de Marie de Médicis furent réalisées. Il est possible de les retrouver exposées dans une salle au Louvre.
En 1631, la construction est achevée, Marie de Médicis doit le quitter la même année, exilée sur ordre de son fils à la suite de la "journée des Dupes".
A sa mort en 1642, Marie de Médicis lègue le domaine à son enfant préféré, son second fils Gaston duc d'Orléans, frère puîné du roi Louis XIII. Il passe par succession à sa veuve, Marguerite de Lorraine, puis à sa fille aînée la duchesse de Montpensier qui le vend à sa sœur cadette, la duchesse de Guise (1660). Celle-ci en fait don au roi, son cousin en 1694.
En 1715, Luxembourg revient au régent Philippe d'Orléans, qui l'abandonne à ses filles, la duchesse de Berry et la reine douairière d'Espagne. Cette dernière s'y laisse mourir en 1742.
Le 14 octobre 1750, la Galerie royale de peinture du Palais du Luxembourg est ouverte à l'initiative de M. de Tournehem, directeur des Bâtiments du Roi, à l’emplacement même de la galerie de Marie de Médicis, dans l'aile Est du Palais du Luxembourg. Exposant une sélection des "Tableaux du Roi" à proximité du cycle de Rubens, il s'agit du premier musée d'art ouvert au public en France, qui préfigura la création du musée du Louvre en 1793. L'actuel Musée du Luxembourg a hérité de cette tradition muséale.
Par un édit du mois de décembre 1778, le roi Louis XVI accorde le domaine et le château à son frère Louis-Stanislas-Xavier, comte de Provence et futur Louis XVIII, à titre d'augmentation d'apanage. Il en sera chassé par la Révolution française qui déclara le palais du Luxembourg "propriété nationale".
Le "Luxembourg" devient une prison pendant la Terreur avant d'être affecté, en 1795, au Directoire. À la fin de 1799, le Directoire fait place au Sénat conservateur, assemblée créée par la Constitution de l'an VIII. En 1814 il est attribué à la Chambre des pairs. Par la suite, il garde sa vocation parlementaire, excepté durant quelques courtes périodes.
L'hôtel initial, désormais appelé Petit Luxembourg, est devenu depuis 1825 la résidence officielle du président du Sénat. Le bâtiment de droite, appelé aussi hôtel de la présidence, abrite son bureau et ceux de ses collaborateurs, ses salons et sa salle à manger privés. Le bâtiment de gauche, appelés salons de Boffrand, abrite des salles de restaurant et des salons pour les grandes réceptions organisées par le Président ou par le Sénat dont l'accueil des personnalités étrangères.