Lüneburg beschäftigte sich unter anderem mit endlichen Geometrien, die er mit gruppentheoretischen Methoden untersuchte. Beispielsweise bewies er 1964, dass endliche projektive Ebenen der Ordnung mit Kollineationsgruppe (Automorphismengruppe) , wobei die Potenz einer Primzahl ist, Desargues-Ebenen sind. Er untersuchte auch projektive Ebenen mit den einfachen endlichen Suzuki-Gruppen als Kollineationsgruppen (Abhandlungen Math.Seminar Hamburg 1965). Später verlagerten sich seine Interessen zu algorithmischer Algebra und Geschichte der Mathematik.
Seine Arbeiten zur Geschichte der Mathematik entstanden aus dem intensiven Studium von Primärquellen (Leonardo da Pisa, Cardano, Tartaglia) mit einer ausgeprägten Neugier zugleich für sprachliche, chronologische und kulturgeschichtliche Details, die sich auch im Stil der Darstellung in Form von zahllosen Exkursen, Abschweifungen und eingeflochtenen persönlichen Beobachtungen niederschlug. Sein Buch über den Liber Abbaci von Leonardo da Pisa, obwohl von ihm selbst ausdrücklich nur als Dokument seiner mathematischen „Lesevergnügen“ ohne Anspruch auf historische Wissenschaftlichkeit deklariert, ist in der Unbefangenheit und Sorgfalt der Auseinandersetzung mit dem Text ein Unikum in der Leonardoforschung und der wichtigste deutschsprachige Beitrag auf diesem Gebiet.
Vorlesungen über Lineare Algebra. Versehen mit der zu ihrem Verständnis nötigen Algebra sowie einigen Bemerkungen zu ihrer Didaktik. BI Wissenschaftsverlag 1993.
On the Rational Normal Form of Endomorphisms. A Primer to Constructive Algebra. BI Wissenschaftsverlag 1987.
Kleine Fibel der Arithmetik. Lehrbücher und Monographien zur Didaktik der Mathematik Band 8, BI Wissenschaftsverlag 1987 (Algorithmen der elementaren Zahlentheorie).
Tools and Fundamental Constructions of Combinatorial Mathematics. BI Wissenschaftsverlag 1989.
Leonardi Pisani Liber Abbaci oder Lesevergnügen eines Mathematikers. BI Wissenschaftsverlag 1992, 2. Auflage 1993.