En 1615 Maria de Medicis, encargo a Salomon de Brosse la construcción de un palacio cuyo estilo y materiales se asemejaran lo más posible a los viejos palacios florentinos conocidos durante su infancia.
Desde el almohadillado a las gruesas columnas en anillos, el Palais de Luxemburg evoca al Palazzo Pitti más que ningún otro en todo Paris.
El Palacio de Luxemburgo servía más como residencia secundaria que como palacio oficial urbano. Su planta corresponde a la característica de los palacios franceses, como el de Verneuil en el que intervino Salomon de Brosse. Tiene un patio cuadrado, el Patio de Honor, un salón de entrada coronado por una cúpula, la Cúpula Tournon y pabellones repetidos en el cuerpo del edificio.
Las novedades, como el cuerpo de la vivienda que tiene una gran amplitud en relación a las dos alas, y la parte central monumental, distinguen el palacio. El Palacio de Luxemburgo es el resultado de la libre inspiración tomada del Palacio Pitti, Florencia, Italia, solicitado por María de Médici que, aburriéndose en el Louvre, deseaba encontrar el espíritu florentino y la dulzura que le transmitía, especialmente a través del empleo del almohadillado de piedra en la arquitectura del edificio más que la mezcla de ladrillo y piedra, como la que se encuentra, por ejemplo, en el pabellón de caza del Palacio de Versalles.
La parte derecha del palacio estaba reservada para la Reina, y la de la izquierda para Luis XIII. Una serie de cuadros se había encargado a Rubens para cada uno de sus departamentos, pero sólo se realizaron las 13 telas destinadas a María de Médici, que se pueden ver expuestas en una sala del Louvre.
En 1795 el palacio fue declarado sede del Directorio y luego, palacio del Senado durante el Imperio. El autor del Arco del Triunfo de l´Etoile, Chalgrin, fue el responsable de la completa reconversión del edificio para sus nuevas funciones.
Durante el siglo XIX el Luxemburg fue objeto de nuevas reformas y ampliaciones para continuar siendo hasta el presente la sede del Senado de la República.
En el lado sur del palacio, el formal Jardín de Luxemburgo presenta un parterre verde de 25 hectáreas de grava y césped poblado de estatuas y grandes cuencas de agua.
Para albergar las asambleas del Directorio y a continuación el recién creado Senado, el arquitecto Jean-François-Thérèse Chalgrin remodeló el interior del edificio para adaptarlo a sus funciones legislativas, obras que terminaron en 1807.1 Entre 1836 y 1842, el arquitecto Alphonse de Gisors, alumno de Chalgrin, desplazó la fachada del edificio que da a los jardines sobre 31 metros, para dar cabida a un nuevo hemiciclo. La sala fue reconstruida en 1859, también por Gisors, tras haber sufrido un incendio.