Prifddinas Archddugiaeth Lwcsembwrg yw Dinas Lwcsembwrg (Lwcsembwrgeg: Stad Lëtzebuerg; Ffrangeg: Ville de Luxembourg, Almaeneg: Luxemburg Stadt). Lleolir y ddinas wrth gyfaber afonydd Alzette a Pétrusse, yn Ne Lwcsembwrg, ac mae'n cynnwys Castell Lwcsembwrg, castell hanesyddol a sefydlwyd gan y Ffrancod yn gynnar yn yr Oesoedd Canol; tyfodd y ddinas o'i gwmpas.
Yn 2010, roedd poblogaeth Dinas Lwcsembwrg yn 100,000, sef tua theirgwaith mwy na'r commune' (cymuned) ail boblog yn y wlad. Y boblogaeth ddinasol, gyda communes Hesperange, Sandweiler, Strassen a Walferdange yw 103,973. Lleolir Dinas Lwcsembwrg yng nghanol Gorllewin Ewrop, 117 milltir o ddinas Brwsel, 179 milltir o Baris a 118 milltir o Cwlen.
Un o'r dinasoedd cyfoethocaf yn y byd yw Dinas Lwcsembwrg, am ei bod yn ganolfan bancio a gweinyddiaeth. Mae Dinas Lwcsembwrg wedi croesawu amryw o sefydliadau yr Undeb Ewropeaidd, er enghraifft Llys Cyfiawnder Ewrop, Llys Archwilwyr Ewropeaidd a'r Banc Buddsoddiadau Ewropeaidd.
