La tour ronde à l'extrémité de l'actuel plateau Altmünster appartient à l'abbaye bénédictine Notre-Dame, sise à l'époque à l'est du château comtal. Elle avait été fondée par Conrad Ier, comte de Luxembourg, en 1083, avant qu'il ne partît en croisade. Les moines ont pour mission de prier pour le succès de la campagne contre les infidèles et d’assurer la fonction de clercs pour le comte. L'abbaye abrite une école et détient pendant longtemps le monopole de l'enseignement dans la ville de Luxembourg.
L'abbaye d’Altmünster est également le lieu de sépulture des comtes de Luxembourg. Après la mort du comte Henri IV en 1196, elle perd un temps de son prestige, jusqu'à ce que l'empereur Charles IV décide que son père Jean l'Aveugle, comte de Luxembourg et roi de Bohême, tombé à la bataille de Crécy en 1346, y soit inhumé.
En 1128, le pape Honorius II autorise 26 paroisses, qui jusqu'alors se rendent en pèlerinage à la cathédrale de Trèves chaque troisième dimanche après Pâques, à faire désormais le pèlerinage à l'abbaye d’Altmünster à Luxembourg. Un marché doit conférer à l'événement une portée économique supplémentaire et renforcer les fonctions de centralisation du lieu.
L'abbaye est démolie en 1543, pour des raisons stratégiques. Le duc de Guise, qui occupe la ville d'octobre 1543 à août 1544, sur ordre du roi de France François Ier, veut empêcher les troupes de l'empereur Charles Quint, lors du siège imminent, de s'y retrancher. La destruction de l'abbaye n'empêche pas les officiers impériaux Gongaza et Fürstenberg de reconquérir la ville. Les moines bénédictins s'installent dans le quartier du Grund à l'Hospice Saint-Jean , où ils édifient au début du XVIIe siècle l'abbaye de Neumünster qui abrite aujourd'hui un centre culturel.
