Die Chemnitztalbahn ist die direkte Verbindung von Chemnitz über Chemnitz-Glösa, dem größten Zwischenbahnhof Markersdorf-Taura nach Wechselburg. Die Trasse windet sich zusammen mit dem Fluss Chemnitz durch das gleichnamige Tal.

Streckenbeginn (km 27,0) ist der Hauptbahnhof in Chemnitz, der mit dem Bau der Eisenbahnlinie von Chemnitz nach Leipzig auf die heute bekannte Größe erweitert wurde. Im Krieg wurde er durch Bombardierungen stark in Mitleidenschaft gezogen. Fortschreitende Korrosion an der stählernen Hallenkonstruktion erzwang 1972 die Demontage. In der Folgezeit entstand dann die heutige Bahnhofshalle, die Anfang der 90er Jahre gründlich saniert wurde.

Die ersten Kilometer bis zum Bahnhof Küchwald (km 23,8) wird die Strecke Chemnitz - Leipzig benutzt. Beim Bau der Chemnitztalbahn wurde der Bahnhof Küchwald grundlegend umgebaut. Als Vorbahnhof des Hilbersdorfer Güterbahnhofes ist er ein Knotenpunkt, der die Strecken nach Leipzig, Chemnitz-Altendorf, Wechselburg auf der einen Seite und nach Hilbersdorf und dem Hauptbahnhof auf der anderen Seite verbindet. Zusätzlich verfügt der Bahnhof über Anschlussgleise für das Heizkraftwerk Nord (Kohlezufuhr aus dem Revier Borna bei Leipzig) und für die Stahlgießerei Chemnitz-Borna. Beim Verlassen des Bahnhofes fällt das seit 1992 in Betrieb befindliche Zentralgleisbildstellwerk auf der rechten Seite ins Auge. Danach windet sich die Strecke in einer großen S-Kurve dem Bahnhof Glösa entgegen. Zwischen Küchwald und Glösa befindet sich mit einer Neigung von 18,2% (1:55) das steilste Stück der Streckenführung.

Am Bahnhof Glösa (km 21,7) befindet sich das ehemalige VEB Numerik (heute Siemens), für dessen Berufsverkehr ein zweiter Bahnsteig gebaut wurde. An der Ausfahrt des Bahnhofs unterquert man die Autobahn A4. Die Brücke ist inzwischen dreispurig neuerbaut worden. Nach kurzer Geruchsbelästigung durch die Kläranlage Chemnitz-Heinersdorf überquert die Bahn eine Verbindungsstraße zwischen den Stadtteilen Draisdorf und Heinersdorf.
Unmittelbar nach dieser Straße befand sich der Haltepunkt Chemnitz-Heinersdorf (km 20,0), der aufgrund des fehlenden Bedarfs schließlich am 25.09.1977 aufgehoben wurde. Mit dem Kilometer 19,5 wird die Grenze zwischen den Bahnmeistereien Chemnitz Hbf und Döbeln überfahren.