Le Luxembourg participe officiellement à ses premiers Jeux Olympiques d'été en 1912 à Stockholm, ne manquant depuis aucune édition hormis celle de 1932 à Los Angeles. Le pays a également concouru à ses premiers Jeux d'hiver en 1928 à Saint Moritz, prenant part à 9 éditions depuis.
Le Luxembourg a décroché deux médailles aux Jeux d'été : une en argent grâce à l'haltérophile Joseph Alzin en 1920 à Anvers, et une en or grâce à l'athlète Josy Barthel sur 1 500 m en 1952 à Helsinki. Toutefois, l'hymne luxembourgeois n'a pas retenti à cette occasion car l'orchestre ne possédait pas la partition. Un autre Luxembourgeois, Michel Théato, remporta le marathon olympique à Paris en 1900 mais celui-ci concourait pour la France à cette époque. Le Luxembourg n'a jamais réclamé cette médaille et le CIO a confirmé la victoire "française" à la fin du XXe siècle.
Le pays a par ailleurs obtenu deux médailles d'argent aux Jeux d'hiver en 1992 à Albertville grâce à Marc Girardelli, skieur alpin autrichien naturalisé luxembourgeois.
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