Lüksemburg Sarayı (Fransızca: Palais du Luxembourg, telaffuzu [palɛ dy lyksɑ̃buʁ]), Fransa'nın Paris şehrinde, 6. bölgede, 15 Rue de Vaugirard adresinde bulunan tarihi bir saraydır.
Başlangıçta Fransız mimar Salomon de Brosse'un tasarımlarına göre inşa edilen bu saray, Kral XIV. Louis'in annesi olan Regent Marie de' Medici'nin kraliyet ikameti olması amacıyla (1615-1645) inşa edildi. Devrim sonrasında (1799-1805), Jean Chalgrin tarafından yasama binasına dönüştürüldü ve daha sonra (1835-1856) Alphonse de Gisors tarafından büyük ölçüde genişletilip yeniden tasarlandı.
Saray, Konsül döneminde Sénat conservateurun kurulmasından bu yana çeşitli Fransız ulusal yasama organlarının üst meclisi olarak hizmet vermiştir; bu nedenle, 1958'deki[2]Beşinci Cumhuriyet'in Senatosu'nun kuruluşundan bu yana Fransa Senatosu'na ev sahipliği yapmaktadır.
Sarayın hemen batısında Rue de Vaugirard'da, şu anda Senato Başkanı'nın ikameti olan Petit Luxembourg bulunmaktadır; biraz daha batıda ise eski portakal bahçesi olan Musée du Luxembourg (Lüksemburg Müzesi) yer almaktadır. Sarayın güney tarafında, resmî Lüksemburg Bahçesi, çocukların model teknelerle sefahat yaptığı büyük su havuzları ve heykellerle süslenmiş 25 hektarlık çim ve çakıl parterresini bulunmaktadır.