Bereits im Jahr 1839, dem Eröffnungsjahr der ersten deutschen Fernbahnlinie Leipzig - Dresden, gab es erste Bestrebungen für einen Eisenbahnbau nach Greiz. Damals wurde in Sachsen die Sächsisch-Bayerische Eisenbahn geplant, die Leipzig und Hof miteinander verbinden sollte. Aufgrund der schwierigen topografischen Bedingungen wurden verschiedene Vorschläge für die Streckenführung im Vogtland diskutiert. Aus heutiger Sicht kann man einschätzen, dass es weitaus günstigere Varianten als die letztlich ausgeführte gab, die dann auch solche gigantischen Talüberquerungen wie die des Göltzschtales bei Mylau und des Elstertales bei Jocketa erübrigt hätten. Eine Trassierung über Greiz und dann weiter durch das Elstertal wäre zum Beispiel rationeller gewesen, aber der sächsische Staat dachte anders. Wegen fehlender finanzieller Unterstützung durch das Reußische Fürstenhaus und Angst vor wirtschaftlicher Konkurrenz sowie im Hinblick auf Annexionsgelüste Preußens war man bemüht, die Strecke soweit wie möglich durch sächsisches Territorium zu führen. Greiz lag aber auf dem Territorium des Fürstentums Reuß Ältere Linie, und so ging die Residenzstadt bei der Eröffnung der Strecke über Reichenbach im Jahr 1851 leer aus. Die Göltzschtalbrücke, das größte Ziegelbauwerk der Welt, liegt damals wie heute nur ca. 700 m von der thüringisch-sächsischen Grenze entfernt.
Als weitere Möglichkeit blieb nur der Anschluss an die Sächsisch-Bayerische Eisenbahn durch eine Stichbahn, doch lehnte Sachsen eine solche Linie zunächst aus Angst vor Konkurrenz ab. Im Mai 1855 gründete sich in Greiz ein Eisenbahnverein, der das Ziel der Stichbahn weiter verfolgte. Da alle Planungs- und Vorarbeiten auf eigene Kosten geschahen, verwarf man alle zu kostspieligen Projekte wie den Anschluss an die Sächsisch-Bayerische Eisenbahn in Werdau oder Reichenbach. Man konkretisierte das Vorhaben darauf, einen Anschluss an die Hauptstrecke in Brunn oder Neumark zu verwirklichen. Am 3. November 1863 kam es dann endlich zum Staatsvertrag zwischen dem Fürstentum Reuß Ältere Linie und dem Königreich Sachsen als rechtliche Grundlage für den Bahnbau. Im März 1864 wurde die "Greiz-Brunner Eisenbahn-AG" gegründet, und am 17. September des gleichen Jahres liefen die Arbeiten an. Bereits im August 1865 konnte der erste Bauzug zwischen Brunn und Greiz verkehren. In Brunn mündete die Strecke in die Linie Leipzig - Hof ein und benutzte diese bis Neumark mit. Die Hälfte der Einnahmen dieses Streckenabschnittes musste deshalb an die Sächsischen Staatseisenbahnen abgegeben werden. Am 21. Oktober 1865 befuhr ein "Privattrain" mit Ehrengästen die Linie, die wegen des Ausfalls der ersten geliehenen Lokomotive aus Werdau erst zwei Tage später offiziell eröffnet werden konnte. Am 31. Oktober verkehrte dann auch letztmalig die Postkutsche zwischen Greiz und Reichenbach.
Als in den siebziger Jahren des 19. Jahrhunderts die Gesellschaft zum Bau der Elstertalbahn Gera - Greiz - Weischlitz in finanzielle Schwierigkeiten geriet, vollendete der sächsische Staat diesen Bahnbau. Am 1. Januar 1876 ging auch die Strecke Neumark - Greiz durch Kauf an den sächsischen Staat über. Nach Fertigstellung der Elstertalbahn im Juli 1875 unterschied man in Greiz für kurze Zeit den unteren (heute Bahnhof Greiz) und den oberen Bahnhof (zuletzt Greiz Aubachtal). Um die Rentabilität der Strecke Neumark - Greiz zu erhöhen, strebte man einen direkten Anschluss an die Elstertalbahn an. Da die Herstellung der Verbindungsbahn durch den notwendigen Bau eines Tunnels sehr aufwendig war, richtete man 1875 zunächst eine provisorische Gleisanlage ein. Sie führte nach der Elsterquerung über den Papiermühlenweg bis zu einer Drehscheibe, die sich dort befand, wo heute der Backsteinbau der Volkshochschule steht. Nebenan ist übrigens auch heute noch das Gebäude des ehemaligen Steueramtes für die Zollabfertigung zu sehen. Mit Hilfe der Drehscheibe wurden die Wagen von einem auf das andere Gleis umgesetzt. Am 15. Oktober 1879 konnte dann schließlich die Verbindungsbahn mit dem 240 m langen Hainbergtunnel eröffnet werden. Der bisherige obere Bahnhof wurde im Personenverkehr nicht mehr bedient und zur Güterladestelle zurückgestuft.