Die Geithainer Eisenbahn wurde im Jahr 1887 von den Königlich Sächsischen Staatseisenbahnen eröffnet. Damit war sie die siebente Eisenbahnstrecke, die die Stadt Leipzig berührte.

Die 42,4 km lange Strecke zweigt östlich des Bahnhofs Paunsdorf von der Dresdner Eisenbahn ab und führt über Bad Lausick nach Geithain, wo sie in die schon 1872 eröffnete und in Neukieritzsch von der Bayerischen Eisenbahn abzweigende Strecke Leipzig - Borna - Geithain - Chemnitz einmündet. Auf dem heutigen Leipziger Stadtgebiet durchquert sie die Gemarkungen Paunsdorf, Mölkau, Zweinaundorf, Holzhausen und Liebertwolkwitz. Als Endpunkt in Leipzig diente der Dresdner Bahnhof, der 1912/1915 durch den Hauptbahnhof ersetzt wurde.
Heute liegen im Leipziger Stadtgebiet folgende Bahnhöfe bzw. Haltepunkte an der Geithainer Eisenbahn:
| km | Name |
|---|---|
| Leipzig-Mölkau | |
| Leipzig-Holzhausen | |
| Leipzig-Liebertwolkwitz |
Nachdem der sächsische Landtag am 20.03.1885 den Bau der schon seit 1850 geforderten Eisenbahn beschloss, fand am 24.08.1885 der erste Spatenstich statt. Am 30.04.1887 wurde die eingleisige Strecke Leipzig - Geithain festlich eröffnet.
Am 01.04.1920 ging die Geithainer Eisenbahnstrecke mit den Sächsischen Staatseisenbahnen in der Reichsbahn auf.
Ab dem 30.08.1924 wurde die Strecke von der Deutschen Reichsbahn-Gesellschaft betrieben.
Ein nach 1914 gebautes zweites Gleis zwischen Paunsdorf und Liebertwolkwitz musste 1946/1948 als Reparationsleistung an die Sowjetunion wieder demontiert werden.
Nach der Geithainer Eisenbahn wurde u.a. die Geithainer Straße benannt.