Seit 1898 befördert die Kirnitzschtalbahn Wanderer, Touristen und Kurgäste zu ihren Zielen. Sie wurde von Anfang an als Ausflugsbahn geplant. Auf etwa 8 Kilometern begleitet die meterspurige Bahn das Flüsschen Kirnitzsch auf seinem Lauf durch die bizarre Felsenwelt des Elbsandsteingebirges von Bad Schandau zum Lichtenhainer Wasserfall. Die Fahrt dauert 25 Minuten, im Sommer wird im Halbstundentakt gefahren.
In dem engen Tal ließ sich nur eine eingleisige Strecke realisieren, die zudem meist auf der Straße verläuft. Das führt des öfteren zu Behinderungen durch Autos und damit auch manchmal zu Verspätungen. 1973 ereignete sich der einzige Frontalzusammenstoß zweier Bahnen.
Im Laufe der Jahrzehnte war die Existenz der Bahn mehrfach gefährdet. Häufig war der bauliche Zustand der Strecke schlecht, weshalb der Bahnbetrieb zwischen 1969 und 1972 komplett eingestellt wurde. Auch 1985 musste er aufgrund baulicher Mängel zeitweise unterbrochen werden, die endgültige Einstellung wurde jedoch durch Proteste verhindert. Seit 1990 verkehrt die Bahn wieder auf ihrer vollen Streckenlänge. Nach einem Hochwasser im August 2010 stand der Betrieb wieder zeitweise still.
Ihre Beliebtheit verdankt die Bahn nicht nur der eindrucksvollen Landschaft, sondern auch den historischen Wagen, die liebevoll gepflegt seit Jahrzehnten verkehren. Der Fuhrpark bestand und besteht aus einer Mischung verschiedenster Straßenbahnwagen. Die 1928 speziell für die Kirnitzschtalbahn gebauten Wagen verkehren seit Ende der 1970er Jahre nicht mehr im Regelverkehr, ebenso einige besonders alte andere Wagen. Stattdessen wurden Wagen herbeigeholt, die bereits lange in unterschiedlichen Städten (Dresden, Plauen, Zwickau, Jena, Halle, Leipzig) verkehrten und dort ausgemustert wurden. Dank dieser historischen Wagen diente die Kirnitzschtalbahn als Kulisse im Film "Der Vorleser" (wenn sie dort auch angeblich in einer Stadt verkehrte).
