แกรนด์ดยุกแห่งลักเซมเบิร์ก (อังกฤษ: Grand Duke of Luxembourg, ลักเซมเบิร์ก: Groussherzog vu Lëtzebuerg, ฝรั่งเศส: Grand-duc de Luxembourg, เยอรมัน: Großherzog von Luxemburg) เป็นประมุขแห่งรัฐแห่งราชรัฐลักเซมเบิร์ก เริ่มต้นจากการปรับฐานะของลักเซมเบิร์กเป็นแกรนด์ดัชชี เมื่อวันที่ 15 มีนาคม ค.ศ. 1815 ในบริเวณของดัชชีลักเซมเบิร์กในอดีต โดยตอนแรกใช้ประมุขแห่งรัฐเป็นแบบรัฐร่วมประมุขกับสหราชอาณาจักรเนเธอร์แลนด์จนถึงปีค.ศ. 1890 ซึ่งปกครองโดยราชวงศ์ออเรนจ์-นัสเซา ลักเซมเบิร์กในปัจจุบันเป็นประเทศเดียวในโลกที่มีสถานะเป็นแกรนด์ดัชชี และตั้งแต่ปีค.ศ. 1815 มีประมุขปกครองรวมทั้งสิ้นเก้าพระองค์ โดยมีแกรนด์ดยุกอ็องรีเป็นองค์ปัจจุบัน