Die Bahnstrecke wurde zwischen 1873 und 1884/85 in mehreren Abschnitten eröffnet:
1872: erster Spatenstich
1873: Abschnitt Nossen – Freiberg
1875: Abschnitt Freiberg – Mulda
1885: Die Strecke wird bis in das böhmische Moldau verlängert. Hauptzweck der Bahnverbindung war neben der Personenbeförderung der Transport böhmischer Braunkohle in die erzverarbeitenden Betriebe in Freiberg. In den folgenden Jahren waren täglich ca. 10 Kohlezüge mit bis zu 45 Waggons neben den Personenzügen unterwegs.
1945/46: Noch in den letzten Kriegstagen des 2. Weltkriegs wurde der Lichtenberger Viadukt über das Muldental gesprengt. Im Juni 1945 war es behelfsmäßig wieder befahrbar. 1946 wurde das 2. Gleis zwischen Freiberg und Lichtenberg als Reparationsleistung an die Sowjetunion abgebaut.
1951: Rückbau der Gleise auf dem Stück Rehefeld und Moldau.
1972: Stilllegung und danach Rückbau des Streckenabschnittes Rehefeld – Holzhau.
2000: Sanierung des Streckenabschnittes Freiberg – Holzhau durch die RP Eisenbahn GmbH
November 2000: Wiederinbetriebnahme durch die Freiberger Eisenbahn