Verlängerung bis Bad Gottleuba und Betrieb bis zur Stilllegung
Die Stadt Gottleuba (ab 1936 Bad Gottleuba) drängte frühzeitig auf einen Weiterbau der Bahnlinie. Ab 1880 wurden im sächsischen Landtag erneut verschiedene Planungen für einen Bahnbau über das Osterzgebirge ins nordböhmische Kohlebecken erörtert. Teilweise war dabei die Verlängerung der Gottleubatalbahn über Berggießhübel hinaus im Gespräch, teilweise wurden völlig neue Trassenführungen z. B. im Seidewitztal und über die Stadt Liebstadt diskutiert. Am Ende empfahl der Landtag aus wirtschaftlichen Gründen nur eine Verlängerung der Bahn bis Gottleuba. Die Vorarbeiten für die knapp 2,7 Kilometer lange Strecke begannen 1898, der eigentliche Bau im Sommer 1904. Am 1. Juli 1905 erfolgte die feierliche Inbetriebnahme. Die Baukosten der Verlängerung beliefen sich auf ca. 585.000 Mark. Der neue Endbahnhof in Gottleuba wurde so angelegt, dass ein Weiterbau in Richtung Böhmen möglich gewesen wäre.
Neben dem Güterverkehr gewann die Strecke durch Ausflügler, Berufspendler und Patienten der Kureinrichtungen in Berggießhübel und Bad Gottleuba auch im Personenverkehr an Bedeutung. In den 1930er Jahren verkehrten bis zu sechs Personenzugpaare täglich, die Fahrtzeit zwischen Pirna und Bad Gottleuba betrug etwa 45 Minuten. Als typische Lokomotiven kamen Dampflokomotiven der Baureihen 86 und 91.3 zum Einsatz.
Ab 1940 kamen weitere Haltepunkte an der Rottwerndorfer Straße (Pirna Ost) und ab 1950 auch an der Dresdner Straße (Pirna Solidarität) hinzu.
In den Jahren nach dem Zweiten Weltkrieg entwickelte sich der zunehmende Auto- und Busverkehr zu einer ernsten Konkurrenz. Im Stadtgebiet von Pirna verkehrten Buslinien parallel zur Bahn mit dichterem Takt, mehr Haltestellen und günstigeren Preisen, so das Fahrgäste von der Bahn auf den Bus wechselten. In den 1950er Jahren beförderte die Bahn im Durchschnitt zwischen 400 und 650 Fahrgäste täglich. Ab 1960 wurden verschiedene Wirtschaftlichkeitsbetrachtungen erstellt, die eine Stilllegung des Personenverkehrs für die gesamte Strecke empfahlen, da der Busverkehr kostengünstiger abzuwickeln war. Daran änderte auch die schrittweise Umstellung des Betriebes auf Diesellokomotiven v. a. der Baureihen 106 und 110 nichts.
Hinzu kam, dass die Strecke stärker für den Güterverkehr genutzt wurde. Das 1967 eröffnete Uranbergwerk Königstein (Leupoldishain) konnte aus topographischen Gründen keinen direkten Gleisanschluss an die Elbtalbahn erhalten. Das geförderte Erz wurde deshalb per Seilbahn zur Verladestelle am Bahnhof Rottwerndorf gebracht und auf die Gottleubatalbahn umgeladen. Diese wickelte zwischen Pirna und Neundorf ohnehin einen regen Güterverkehr für zahlreiche Industrieanschlüsse ab. Jetzt kamen noch bis zu sieben Erzzüge pro Tag hinzu. Eine weitere Erhöhung des Güterverkehrs ergab sich ab 1965 durch Baustofftransporte zum Bau der Talsperre Gottleuba. Aus diesen Gründen wurde der Personenverkehr im August 1970 eingestellt. Anfang der 1990er Jahre fanden nochmals vereinzelte Sonderfahrten mit Schienenbussen (Baureihe 171/172) statt.
Der Güterverkehr reduzierte sich nach Fertigstellung der Talsperre Gottleuba (1974) und der Umstellung der Uranförderung in Königstein auf ein Laugungsverfahren (1983) deutlich, sodass er 1976/77 zwischen Neundorf und Bad Gottleuba ebenfalls eingestellt und die Strecke kurz darauf rückgebaut wurde. Im noch verbliebenen Streckenabschnitt reduzierte sich das Frachtaufkommen durch die wirtschaftlichen Umbrüche und Betriebsschließungen infolge der Deutschen Einheit nach 1990 ebenfalls drastisch. Deshalb wurde auch hier der Güterverkehr Anfang 1997 eingestellt. Nach fast 117 Jahren endete damit der Eisenbahnverkehr im Gottleubatal. Die noch vorhandenen Gleise wurden 2002 abgebaut. Verschiedene Brückenbauwerke und Bahngebäude, darunter die Stations- und Bahnhofsgebäude in Pirna Süd, Rottwerndorf, Langenhennersdorf, Berggießhübel und Bad Gottleuba blieben als Zeugnisse der Eisenbahngeschichte bis heute erhalten.