（追加）ルクセンブルクとストラスブールの組み合わせも、可能性はある

ルクセンブルクに重きを置くなら、タイトルに示した組み合わせも時間的には可能性はありそうです。

早朝のTGVで先にストラスブール（好みにより、選択肢としてナンシーもあり得る）へ行き、午後の列車でルクセンブルクに向かい、夕方遅く、ルクセンブルクを発てば、その日のうちにパリに戻ってこれます。
（このあたり、一泊するといいのですが、アパートを連続で借りるので、宿泊費を二重にしたくないのだろうと思います。）
　
パリ　～　ストラスブール　TGV　２時間２０分　　３時間程度観光
ストラスブール　～　ルクセンブルク　在来線　２時間４０分　４時間程度観光
ルクセンブルク　～　パリ　２時間１５分、　現在の時刻表で１９時２分発､パリ着２１時２０分のTGVがあります。　
（夏なら、２１時２０分頃まではパリはまだ空に薄明かりが残っているでしょう。８月１日のパリの日没２１時２９分）

このあたりが限界でしょうね。
これでも、ストラスブールの観光の際には、ちょっと気がせくでしょう。
ストラスブールでは、プチットフランスあたりのレストランに入り、運河を眺めながら、ゆっくり、シュークルートなど（ベックオフもあり得る）を食べるのが、旅行気分を満喫できると思いますが。（この行程だとおそらくそれはかなわないでしょうね。）


（ルクセンブルクに行ったことはないので、ルクセンブルクの観光時間は推定です。）