Die Cinémathèque kümmert sich um den Erhalt und die Wertschätzung des internationalen Filmerbes und besitzt ein beachtliches Filmarchiv. Sie organisiert Filmretrospektiven und zahlreiche Sonderveranstaltungen zur „siebten Kunst“, die im Kinosaal an der Place du Théâtre stattfinden: Konferenzen und Round-Table-Gespräche zum Thema Film, Projekte für junges Publikum, Aktivitäten für ältere Menschen, Stummfilmkonzerte, Festivals. Die Cinémathèque organisiert unter anderem das Festival „City Open Air Cinema“ und ist ein wichtiger Partner des „Luxembourg City Film Festival“. 

Außerdem ist die Cinémathèque der Stadt Luxemburg seit 1983 Mitglied der Fédération Internationale des Archives du Film (Vereinigung der Filmarchive).