Man hatte bereits 1892 den Gedanken, unter der Altstadt einen Tunnel zubohren, der die beiden Bahnhöfe im Norden und Süden der Stadt, dem Hauptbahnhof und Bayerischen Bahnhof, miteinander verbindet. Dieser wurde einige Zeit später auch umgesetzt, jedoch ging es bis zum Ersten Weltkrieg nicht weiter als bis zum Hauptbahnhof. Teile von ihm sind noch heute erhalten, aber nicht für die Öffentlichkeit zugänglich. In der Deutschen Demokratischen Republik war ein Tunnel unter der Innenstadt geplant, konnte aber aus finanziellen Gründen nicht umgesetzt werden. Nach der Wende, Anfang 1990, wurden die Planungen wieder aufgenommen. Man sah vorerst vor, die Neubaustrecke Erfurt-Leipzig/Halle zum Bayerischen Bahnhof unter die Innenstadt zum Hauptbahnhof zuführen. Von dieser Idee wurde jedoch Abstand genommen. Im Jahr 1995 wurden die Planungen für einen Nahverkehrstunnel vorgestellt und ein Jahr später gaben die Deutsche Bahn AG und Freistaat Sachsen ihre Unterstützung. Nutzen ist, dass dieser Tunnel von allen Leipziger S-Bahn-Linien befahren und der Verkehr beschleunigt wird. Dazu kommt pro Stunde ein Fernverkehrszug hinzu. Am 18. März 2003 unterzeichneten die Bundesrepublik Deutschland, Freistaat Sachsen, Stadt Leipzig und Deutsche Bahn den Projektvertrag zum Bau des City-Tunnels und am 9. Juli selben Jahres gab es einen symbolischen Baubeginn in der Innenstadt. Zu diesem Zeitpunkt war eine Eröffnung im Dezember 2009 geplant.

In den Jahren 2003 bis 2013 wurde der "City-Tunnel Leipzig" gebaut. Bereits zum europäischen Fahrplanwechsel im Dezember 2009 sollte der S-Bahn-Tunnel in Betrieb genommen werden, doch Bauverzögerungen machten einen Strich durch die Rechnung. Danach wurde die Eröffnung auf 2010/2011, 2011/2012 und zuletzt auf 2013 verlegt. Immer um ein Jahr, auch 2014 war schon im Gespräch. Fest stand, dass der City-Tunnel nun am 15. Dezember 2013 offiziell in Betrieb gehen sollte und auch ging. Der offizielle Betrieb sollte jedoch erst am 1. Januar 2014 aufgenommen werden. Beim Bau des City-Tunnels wurden 4 unterirdische Stationen gebaut, diese befinden sich im Hauptbahnhof auf den ehemaligen Gleisen 1-5, unterm Markt, Wilhelm-Leuschner-Platz und Bayerischen Bahnhof. Nördlich vorm Hauptbahnhof und südlich vor dem Bayerischen Bahnhof befinden sich die Rampen zur Ein- und Ausfahrt. Die Stationen wurden von namhaften Architekten aus Deutschland und der Schweiz entworfen und bis September 2013 umgesetzt.

Haltepunkt Hauptbahnhof (tief):
Der Inselbahnsteig hat eine Länge von 215 Metern und ist über Treppen und Aufzüge erreichbar. Ein Großteil der Station ist überdacht, während der südliche Teil offen ist. Die Fassaden erhalten Elemente aus Naturstein, die Decke Stahl- und Aluminium-Bleche und die Brüstung ist aus Stahl und Glas. Die Station ist neben der Bahnhofshalle auch unterirdisch mit einer Unterführung unter der Straße am Willy-Brandt-Platz verbunden. Die alte Unterführung, die sich südlich der LVB-Haltestelle befand, wurde nach Eröffnung am 5. August 2013 geschlossen und zugeschüttet. Oberhalb der Bahnhofshalle ist ein Umstieg in andere Nahverkehrszüge und vor dem Hauptbahnhof der Umstieg in Bus und Straßenbahn möglich.
 
Haltepunkt Markt:
Der Inselbahnsteig hat eine Länge von 140 Metern und ist über Treppen und Aufzügen erreichbar. Die Zugänge befinden sich nordwestlich am Marktplatz (Hainstraße/König-Albert-Haus) und südlich am Markt mit Zugang zum Untergrundmessehaus. Die Fassaden erhalten Terrakotta-Platten und die Köpfe der S-Bahn-Station Keramikstäbe. Am Alten Rathaus, direkt am Marktplatz, besteht die Möglichkeit, in den Omnibus umzusteigen.
 
Wilhelm-Leuschner-Platz:
Der Inselbahnsteig hat eine Länge von 140 Metern und ist über Treppen und Aufzügen erreichbar. Die Zugänge zur Station befinden sich südlich an der Schillerstraße, direkt an der LVB-Haltestelle Wilhelm-Leuschner-Platz, und der Süd-Zugang nördlich der Windmühlenstraße/westlich der Markthallenstraße. Ein direkter Zugang von der LVB-Haltestelle zur S-Bahn-Station und umgekehrt ist leider nicht möglich. Aus Kostengründen wurde diese Unterführung nicht umgesetzt. Die Fassade im Inneren besitzt mehrere große Glasbaustein-Elemente, die von hinten beleuchtet werden. Auch hier ist ein Umstieg zu Bus und Straßenbahn möglich.
 
Bayerischer Bahnhof (tief):
Der Inselbahnsteig hat eine Länge von 140 Metern, befindet sich direkt unter der ehemaligen Bahnhofshalle und ist über Treppen und Aufzüge erreichbar. Der Nord-Zugang befindet sich am Bayrischen Platz vor dem historischen Portikus, der Süd-Zugang weiter hinten in der ehemaligen Bahnhofshalle mit Zugang zum geplanten Stadtteilpark. Im Inneren werden die Fassaden mit silbernen Aluminium-Platten verkleidet, das in Augenhöhe ein Farblichtband beinhaltet. Das heißt, hier werden verschiedene Farben angezeigt. Der Umstieg zur LVB-Haltestelle, Bus und Straßenbahn, befindet sich im Moment etwas entfernt, sollen aber nach Eröffnung des City-Tunnels direkt seitlich am Nord-Zugang verlegt werden.
 
Neben den Rampen und Stationen besitzt der Stadttunnel auch zwei Röhren, die insgesamt 2876 Meter bzw. jeweils 1438 Meter lang sind und einen Durchmesser von 7,90 Metern haben. Die beiden Tunnelröhren befinden sich in einer Tiefe zwischen 22 und 25 Metern. Der Abstand zwischen Straße und Tunneloberkante liegt bei 8 bis 16 Metern. Zum Einsatz kam eine 65 Meter lange Tunnelbohrmaschine mit einem 9 Meter großem Schneiderad. Die Bohrung begann am 15. Januar 2007, symbolisch am 11. Januar mit Taufe der TBM auf den Namen "Leonie", mit der westlichen Rohre. Hier bohrte man sich durch 10 verschiedene, geologische Gesteinsschichten. Mit Verspätung erreichte Leonie am 10. März 2008 den Hauptbahnhof. Danach wurde die Tunnelbohrmaschine zurückgebaut, wieder zurück zum Bayerischen Bahnhof transportiert, aufgebaut und auf die zweite Bohrung vorbereitet. Diese sollte schneller gehen als die erste, da man nun wusste, durch was man sich in der Leipziger Unterwelt frisst. Am 9. Mai 2008 begann die Bohrung der östlichen Röhre und schaffte es nach nur 5 Monaten, am 31. Oktober 2008, zum Hauptbahnhof. Gegen 17.00 Uhr durchbrach Leonie die 1,50 Meter dicke Schutzbetonwand an der künftigen Station Hauptbahnhof (tief). An diesem Tag hatte Leonie ihren letzten Arbeitstag und wurde danach erneut zurückgebaut. Im Januar 2011 konnte der Bau der 4 Stationen abgeschlossen werden. Darauf begann im April der Innen- und -bahntechnische Ausbau. Zwischen März 2009 und Dezember 2011 begann der Gleisbau in beiden Tunnelröhren. Dabei kommt ein Masse-Feder-System zum Einsatz. Sonst würde man oberhalb auf der Straße den unterirdischen Schienenverkehr hören. Des Weiteren können ihn auch Polizei-, Rettungs- und Baufahrzeuge befahren, was bei einem Schotterbett nicht möglich ist.
 
Am 14. Dezember 2013 wurde der City-Tunnel eingeweiht und einen Tag später das neue mitteldeutsche S-Bahn-Netz. Dazu gibt es 6 neue S-Bahn-Linien, die alle die vier unterirdischen Bahnhöfe ansteuern werden. Zum Projekt "City-Tunnel Leipzig" gehören auch die Netzergänzenden Maßnahmen. Diese beinhalten den Ausbau von Bahnanlagen der künftigen S-Bahn-Strecken, außer die, die bereits ausgebaut worden bzw. bei denen es keinen Bedarf gibt.