Luzhkov, 74 años, fue "destituido de sus funciones de alcalde por haber perdido la confianza del presidente ruso", anunció un comunicado del Kremlin.
Vladimir Resin, adjunto de Luzhkov, lo sustituye en el cargo en forma interina.
Luzhkov, que el lunes había reafirmado su negativa a renunciar, no hizo, por el momento, ningún comentario.
La destitución de Luzhkov forma parte de una campaña de cambio de dirigentes regionales promovida por el Kremlin.
"Un dirigente regional puede dejar su puesto antes del fin de su mandato de dos maneras. Voluntariamente, anunciando que renuncia, o con una fórmula más severa de pérdida de confianza", dijo Natalia Timakova, la portavoz del presidente ruso que realiza una visita oficial a China.
En 18 años de mandato, Luzhkov transformó la capital soviética en una ciudad dinámica y lujosa, basada en una alianza del dinero y del poder, a imagen y semejanza de la nueva Rusia capitalista.
Luzhkov, de fisonomía bonachona, vestido casi siempre con una chaqueta y una gorra de cuero, había sido nombrado alcalde de Moscú por el presidente Boris Yeltsin, después de la caída del comunismo.
A fines de los años noventa, su nombre circuló como posible sucesor de Yeltsin, quien finalmente nombró a un desconocido llamado Vladimir Putin.
Luzhkov, de ideología nacionalista y religión ortodoxa, apasionado por la apicultura, seguía siendo popular a pesar de las críticas.
Según una encuesta de opinión reciente, el 56% de los moscovitas lo consideraba "corrupto", pero el 52% quería que siguiera siendo alcalde de Moscú.
El ocaso político de Luzhkov se aceleró en agosto pasado, por su mal desempeño durante los incendios que afectaron a la región de Moscú.
uzhkov demoró diez días en suspender sus vacaciones y regresar a Moscú, lo que irritó al Kremlin.
"Está bien que haya regresado y retomado sus funciones, pero es una lástima que no lo haya hecho antes", había declarado una fuente del Kremlin.
"No tengo miedo", había sido la respuesta del alcalde de Moscú, pero los observadores consideraban que su carrera estaba terminada.
El mandato de Luzhkov debía concluir en 2011, un año antes de la elección presidencial.
Contra Luzhkov y su esposa, la multimillonaria Elena Baturina, pesan acusaciones de corrupción y abuso de funciones.
En muy pocos años, Baturina, modesta empleada de la alcaldía de Moscú, desarrolló la empresa Inteko, un imperio inmobiliario y de obras públicas que le permitió amasar una fortuna de 2.900 millones de dólares.
Los partidarios de Luzhkov destacan en el balance del alcalde destituido la construcción del periférico de Moscú y la reconstrucción de la Catedral Cristo Redentor destruida por los bolcheviques.
Sus opositores, le reprochan en cambio la destrucción de muchos edificios históricos en beneficio de la especulación inmobiliaria y su incapacidad de regular el tráfico en la capital.
Luzhkov transformó a Moscú en una ciudad que no duerme nunca, con restaurantes y negocios abiertos las 24 horas del día, y en la que los asalariados y los jubilados viven mejor que en el resto de Rusia debido a las subvenciones de la alcaldía.
"Hay dos Luzhkov. Un constructor enérgico y un personaje insolente, preocupado sólo por su cargo y los negocios de su mujer", dijo a la AFP el opositor liberal Boris Nemtsov, autor de un informe sobre los negocios de la familia Luzhkov-Baturina, para quien el segundo comenzó a predominar sobre el primero a partir del año 2000.
"Moscú es la ciudad más corrupta de Rusia. La corrupción penetró en todos los niveles del poder. En ese sistema cada clan controla un sector y vive de sobornos", dijo Nemtsov.