Die Liebfrauenkirche neben dem Rathaus ist die ältere der beiden Bitburger Kirchen und wurde am höchsten Punkt der Stadt errichtet. An dieser Stelle stand sehr wahrscheinlich in vorchristlicher Zeit eine römische Kultstätte. Die Liebfrauenkirche birgt in ihrer Bausubstanz die Reste verschiedener früherer Bauwerke. Ursprünglich muß dort ein romanisches Kirchengebäude gestanden haben, danach entstand ein gotischer Bau, der als einschiffige Saalkirche errichtet wurde. Im 15. und 16. Jahrhundert erfolgten verschiedene Erweiterungen. In den Inflationsjahren 1922/23 erhielt die Kirche einen neubarocken Anbau an der Südseite. In der Liebfrauenkirche schmückt eine Muttergottesstatue den Hochaltar. Die Statue ist eine Nachbildung der Luxemburger Madonna. Die alte Beziehung zu dem ehemaligen Mutterland Luxemburg wird nicht nur durch diese Statue, sondern auch durch eine jährliche Wallfahrt der Bitburger Katholiken nach Luxemburg-Stadt in Erinnerung gehalten. Besondere Beachtung verdient auch ein Steinaltar im Renaissancestil, der in der Kriegergedächtniskapelle steht. Er wurde von der Adelsfamilie von Enscheringen gestiftet.