Im November 1895 wurde zwischen dem Herzogtum Sachsen-Altenburg und dem Königreich Sachsen ein Staatsvertrag zwecks Bau einer Bahnlinie abgeschlossen. Die Errichtung der 22,1 Kilometer langen Nebenstrecke von Nobitz-Kotteritz nach Langenleuba-Oberhain war notwendig, um eine Verbindung zwischen den Hauptlinien Leipzig-Hof und Leipzig-Chemnitz herzustellen, die für den Personenverkehr und den Gütertransport gebraucht wurde.
Da es Unklarheiten bei der Finanzierung gab, konnte erst vier Jahre nach Abschluss des Staatsvertrages die Baugenehmigung erteilt werden. Im März 1899 fasste der Landtag von Sachsen-Altenburg einen entsprechenden Beschluss. Das Königreich Sachsen folgte drei Monate später.

Noch im selben Jahr fiel der Startschuss. Von sächsischer Seite aus wurde ein Betrag von 5 Millionen Mark bewilligt, der Grund und Boden auf der Altenburger Seite unentgeltlich zur Verfügung gestellt. Bauherr waren die Königlich-Sächsischen Staatseisenbahnen.

In der Hauptbauzeit waren bis zu 2.500 Arbeiter an der Strecke beschäftigt, darunter viele Italiener, Polen, Kroaten und Slowaken. Aufgrund ungünstiger Bodenverhältnisse zogen sich die Arbeiten länger als geplant hin. Der harte Winter verursachte Rutschungen des Dammes, die mit mehreren tausend Kubikmetern Erdmassen zu ersetzen waren.

Der höchste Punkt der Strecke liegt bei Boderitz, der Tiefpunkt bei Frohnsdorf. Die Höhendifferenz beträgt 93 Meter. Es wurden 13 Brücken und Wegüberführungen sowie zwei Wegunterführungen und eine Flutbrücke errichtet. Zur Überquerung der Täler war zudem der Bau von 5 großen Viadukten erforderlich, und zwar in Nirkendorf, Wiesebach, Beiern, am Heidelberg und in Niedersteinbach. Die Arbeiten an den Fundamenten bereiteten große Schwierigkeiten, sodass bis zu 150 Pfähle pro Brücke in das sumpfige und tonige Gelände gerammt werden mussten.

Die Bahnstationen Nobitz-Kotteritz, Ehrenhain, Boderitz, Beiern-Langenleuba und Langenleuba-Oberhain erhielten massive Bahnhofsgebäude in einheitlichem Stil, die Haltepunkte in Klausa, Wiesebach, Niedersteinbach und Wernsdorf einfache Holzhütten.

Die Fertigstellung war ursprünglich für Dezember 1900 vorgesehen, verzögerte sich jedoch um ein halbes Jahr.
Am 1. Juli 1901 wurde die Strecke eröffnet. Die neu entstandene Bahnverbindung wurde rege genutzt und den dort verkehrenden Zügen von der Bevölkerung lustige Namen gegeben, vom Schluchtensauer, Ferkeltaxi, Bummelzug bis hin zu Sandmann war die Rede.

Da die Strecke abseits großer Ortschaften und und in weiten Teilen durch unberührte Natur verläuft   und  von den größeren Siedlungen lediglich Ehrenhain einen Bahnhof in Siedlungsnähe erhielt, gelangte sie zunehmend auch in den Fokus der Militärs. Der im Leinawald bei Klausa existierende  Exercierplatz wurde ab 1913 zum offiziellen Flugstützpunkt ausgebaut und fortwährend immer wieder erweitert und erhielt konsequenterweise 1916 mittels eines 4km langen Anschlußgleises eine Anbindung an die bestehende Strecke. Nach 1945 baute die Sowjetarmee den Flugplatz zu einem der größten Aerodrome auf dem Gebiet der ehemaligen DDR aus.

Aus strategischen Gründen wurde schließlich 1956 noch eine Verbindungskurve von Paditz an die bestehende Strecke errichtet, die für den Personenverkehr allerdings ohne jeglichen Nutzen war. Nach Aussagen von Zeitzeugen fanden über die Verbindungskurve auch während des Bestehens weder planmässige noch ausserplanmässige Zugfahrten statt. Im militärischen Ersntfall wäre es so jedoch möglich gewesen, den Flugplatz unter Umgehung des Bahnhofes Altenburg zu erreichen. Außerdem hätte man, abseits der großen Magistralen und Ballungszentren, Mitteldeutschland ohne Richtungswechsel von Weimar über Jena, Gera, Schmölln und Rochlitz nach Waldheim durchqueren können, um von dort auf direktem Wege weiter Richtung  Osten zu gelangen.

Nach der Wende verlor die Trasse ihre strategische Bedeutung und so ereilte die einst beliebte Strecke dasselbe Schicksal wie viele regionale Bahnverbindungen. Mit dem Inkrafttreten des neuen Fahrplanes kam 1995 das Aus für den Personennahverkehr. Der Güterverkehr rollte noch bis 1998 bis Ehrenhain. Danach erfolgte die endgültige Stilllegung der Linie und 2009 schließlich deren Entwidmung, verbunden mit dem Rückbau der Gleisanlagen.