Im Jahre 1879 wurde die Leipzig-Plagwitz-Gaschwitz-Bahnstrecke durch den Leipziger Süden nach Markkleeberg als Lokalbahn im ländlichen Raum eröffnet. 1907 wurde sie zur Hauptbahn umgebaut und erhielt ein neues Anschlussgleis zum Preußischen Bahnhof, der alte befand sich im Sächsischen Bahnhof. Die eingleisige Strecke begann am Sächsischen bzw. Preußischem Bahnhof (heute: Bahnhof Leipzig-Plagwitz), führt in südlicher Richtung zum ehemaligen Bahnbetriebswerk Plagwitz I und zweigt südöstlich ab und durchquert eine große Kleingartenanlage in Klein- und Großzschocher. Parallel führt nördlich ein weiteres Gleis, dass kurz vor der Eisenbahnbrücke über der Dieskaustraße mündet. An dieser Brücke befindet sich westlich der Haltepunkt "Leipzig-Kleinzschocher". Danach verkehrt sie weiter auf ihrem Damm zwischen Bäumen vorbei an Kleingärten, Wohn- und Gewerbebauten. Die nächste Eisenbahnbrücke ist eine Stahlwerkbrücke und befindet sich über der Weißen Elster, südlich vom Teilungswehr Großzschocher, weiter südöstlich überquert sie einen Bahnübergang und danach eine Eisenbahnbrücke über das Elsterhochflutbett, dass die meiste Zeit kein Wasser führt, in Richtung Markkleeberg. Vorher ging es am Auenwald vorbei und jetzt mitten durch den dichten Auenwald und dem Klärwerk Markkleeberg, parallel von der Brückenstraße/Ziegeleiweg. Nach der Einfahrt in Markkleeberg unterquert sie die Koburger Straße und rollt zum nächsten Haltepunkt "Markkleeberg Mitte" an der Rathausstraße. Dieser befindet sich westlich, unweit, vom Bahnhof Markkleeberg entfernt. Nach dem verlassen des Haltepunkts quert sie eine Gleiskreuzung, die auch die Straßenbahn nutzt. Auf der Eisenbahnbrücke über die Seenallee (Staatsstraße 46) führt das Gleis zusammen mit den Gleisen nach Leipzig und Borna. Danach bediente sie noch die Haltepunkte Großstädteln und Gaschwitz. Am 15. Dezember 2002 wurde der Personennahverkehr und am 31. Dezember 2004 der Güterverkehr eingestellt. Die Waldbahn, benannt, da sie durch den Auenwald verkehrt, wird aber noch als Umleitungsstrecke, sowohl für den Personen- als auch Güterverkehr genutzt. Geplant war an der Brückenstraße/Ziegeleiweg ein neuer Haltepunkt, der sich nördlich vom Cospudener See befindet. Relikte befinden sich noch an folgenden Stellen:

- Fußgängerbrücke Schwartzestraße: Ehemaliger Haltepunkt "Leipzig Schwartzestraße" mit Bahnsteig, Geländer und Wartehäuschen.
- An der Eisenbahnbrücke Dieskaustraße: Ehemaliger Haltepunkt "Leipzig-Kleinzschocher" mit Bahnsteig, Geländer und Wartehäuschen.
- An der Rathausstraße in Markkleeberg: Ehemaliger Haltepunkt "Markkleeberg Mitte" mit Bahnsteig und Wartehäuschen.
 
Die ehemalige Waldbahnstrecke ist nebst Haltepunkten noch komplett erhalten. Durch den Umbau der Gleisanlagen auf dem ehemaligen Plagwitzer Güterbahnhof wurden die Gleise auch zwischen den beiden Fußgängerbrücken Schwartzestraße und Kurt-Kresse-Straße neugeordnet.
 
Die Kreuzung, die Straßen- und Eisenbahn in Markkleeberg nutzen, ist umschaltbar. Wenn die Schranken der Eisenbahn geschlossen sind, besteht eine Trennung zum Straßenbahnstrom. Wenn die Schranken geöffnet sind, wird die Spannung der Straßenbahn eingespeist.

Am 12. Juli 1969 wurde diese Bahnstrecke auch von der S-Bahn bedient. Anfangs noch von der Linie A, die danach zur Linie C und später zur Linie S2 wurde. In Zukunft ist kein planmäßiger Personenverkehr auf der Waldbahn geplant. Die Stadt Markkleeberg forderte sogar die Stilllegung der Bahnstrecke. Aber die Deutsche Bahn hat wiederum den Gedanken, die Waldbahnstrecke auf ein Elektronisches Stellwerk (ESTW) umzurüsten. Während den Umbauarbeiten auf dem Abschnitt Leipzig Hauptbahnhof und Markkleeberg, wird der Zugverkehr zwischen November 2012 und Dezember 2013 über die Waldbahn abgewickelt.