Leipzig besaß seit Ende der 1830er Jahre einen Bahnanschluss, Chemnitz erhielt Anfang der 1850er Jahre eine Bahnanbindung, für den Verkehr zwischen beiden Städten war aber noch ein großer Umweg über Riesa nötig. Durch die vorschreitende Industrialisierung zwischen Leipzig und Chemnitz, mit den Städten Borna, Burgstädt. Lausigk und Limbach, sowie dem industriereichen Muldental wurde der Bau einer Direktverbindung zwischen den zwei Großstädten immer dringender. Am 20. März 1884 wurde der Bahnbau schließlich durch die erste Kammer des sächsischen Landtages genehmigt. Am 26. April 1887 fand die polizeiliche Abnahme der Strecke statt, bei der keine Baumängel festgestellt wurden. Die feierliche Streckeneröffnung fand unter großer Anteilnahme der Bevölkerung am 30. April 1887 statt. Der eigentliche Betrieb wurde am 2. Mai 1887 aufgenommen.
Der jetzige Bahnhof Leipzig-Mölkau wurde 1887 als Haltepunkt Zweinaundorf an der neu erbauten Eisenbahnstrecke Leipzig–Chemnitz eröffnet.