La Cinémathèque préserve et valorise le patrimoine cinématographique international, dont elle possède d'impressionnantes archives. Dans sa salle de projection à la Place du Théâtre elle présente des rétrospectives ainsi que de nombreux événements spéciaux consacrés au 7e art : ciné-conférences, tables rondes, projets jeune public, activités troisième âge, ciné-concerts, festivals. La Cinémathèque organise notamment le « City Open Air Cinema » et est un important partenaire du Luxembourg City Film Festival.

La Cinémathèque de la Ville de Luxembourg est membre de la Fédération Internationale des Archives du Film depuis 1983.