Das Ösling im Norden des Landes, ein Teil der Ardennen, ist durch bewaldete Mittelgebirgszüge und tiefe Flusstäler geprägt. Die am stärksten verbreiteten Baumarten sind Rotbuchen, Eichen, Ahorn und Fichten. Dabei nehmen Eichen-Niederwälder, die so genannten Lohhecken, immer noch einen großen Teil der Waldfläche ein. Für unbewaldete Flächen sind unter anderem die Glockenheide und Stechpalme charakteristisch. Die Lippenblütler Echter- und Trauben-Gamander sind mediterrane Pflanzen, die im Südosten Luxemburgs vorkommen.
Die Vegetation des tiefer gelegenen südlichen Teil des Landes (ca. 300 m), dem so genannten Gutland, ist durch die landwirtschaftliche Nutzung und den Weinanbau an der Mosel geprägt.
Die Tierwelt entspricht der für mitteleuropäische Länder üblichen Fauna. Allerdings beeindruckt das Ösling durch große Bestände an Rot- und Schwarzwild sowie Greifvögeln, aber auch durch seltene Vogelarten wie den Schwarzstorch oder das Haselhuhn. Bei anderen Arten ist dagegen ein dramatischer Bestandsrückgang zu verzeichnen. So kamen vom Steinkauz in den 1960er Jahre noch 3.400 bis 4.200 Brutpaare in Luxemburg vor. Im Jahre 2006 war der Bestand auf 15 bis 20 Brutpaare zurückgegangen.[1] Luxemburg ist bekannt für seinen Fischreichtum, es gibt Forellen, Hechte, Zander, Aale, Karpfen und viele andere Fischarten. Im milden Moseltal hat sich die Mauereidechse angesiedelt, ein sonst eher in mediterranen Ländern vorkommendes Tier.