Eigentlich wurde die Müglitztalbahn Heidenau - Altenberg fünfmal erbaut. Nach einer zweijährigen Bauzeit nahm die Strecke bis Geising am 17. November 1890 als 750 mm-Schmalspurbahn ihren Betrieb auf. Im November 1923war schließlich die Verlängerung nach Altenberg fertiggestellt. Ein verheerendes Hochwasser im Jahr 1927 zerstörte einen Großteil der Strecke, welche danach neu aufgebaut werden musste. Zwischen 1935 und 1938 erfolgte schließlich der Neubau der Linie als Normalspurbahn. Dazu wurde der Abschnitt Heidenau - Lauenstein völlig neu trassiert.

In den Jahren 1998/99 investierte die Deutsche Bahn AG umfangreiche finanzielle Mittel in die Generalsanierung der Strecke, nachdem der Verkehrsverbund Oberelbe eine Bestellung der Verkehrsleistungen über 15 Jahre garantiert hatte. Der letzte und fünfte Aufbau begann im Dezember 2002, nachdem die "Jahrhundertflut" im August nahezu das gesamte Müglitztal verwüstet hatte. Dieser war am 20. Dezember 2003 abgeschlossen, so dass die Linie mit einem Volksfest erneut in Betrieb genommen werden konnte. Durch Rückgang der Fahrgastzahlen war der Weiterbetrieb der Müglitztalbahn in der Nachwendezeit nach 1990stark gefährdet. Heute sieht die Situation völlig anders aus. Von der Städtebahn Sachsen wird werktags ein Stundentakt angeboten, zum Einsatz kommen die Siemens-Desiros der Baureihe 642. Aufgrund der hohen Nachfrage im Berufsverkehr richtete der VVO ab 11. Juni 2017 eine parallele Eilbuslinie ein, da eine Verdichtung des Taktes wegen fehlender Kreuzungsmöglichkeiten nicht möglich ist.