Joséphine-Charlotte, tidigare storhertiginna av Luxemburg, avled natten till måndagen, meddelar palatset i hertigdömet.
Den 77-åriga hertiginnan led av cancer.
Premiärminister Jean-Claude Juncker sade att storhertiginnans död är "en stor förlust för landet och folket".
-- Det är som om en av våra egna familjemedlemmar hade avlidit.
Hon var dotter till Belgiens framlidne kung Leopold III och drottning Astrid, tidigare prinsessa av Sverige, som dog i en bilolycka 1935.
Hon var syster till Belgiens nuvarande kung Albert II och mor till Luxemburgs nuvarande storhertig Henri.
Hon gifte sig 1953 med prins Jean av Luxemburg, som blev storhertig 1964. Han abdikerade 2000 och överlämnade tronen till sin son.
Joséphine-Charlotte var i Sverige som barn då hon besökte drottning Astrids sommarvilla Fridhem vid Bråviken tillsammans med syskonen Albert och Baudouin.
År 1991 var storhertigparet Jean och Joséphine-Charlotte på statsbesök i Sverige. Storhertigen träffade bland andra dåvarande statsministern Carl Bildt.