Die Strecke von Großenhain nach Cottbus wurde am 20. April 1870 in Betrieb genommen. Am 17. Juni 1875 wurde die 920 Meter lange Verbindungsbahn zum Berliner Bahnhof in Betrieb genommen.
Dem Cottbuser Bahnhof waren die Bahnhöfe Großenhain Berliner Bahnhof und Böhla unterstellt. Der Bahnhof verfügt über zwei Bahnsteiggleise für den Reiseverkehr und zwei weitere Hauptgleise für den Güterverkehr. Zwischen den Gleisen existierte bis Dezember 2007 noch ein Lokschuppen.
Es gibt noch mehrere Ladegleise für den Güterverkehr sowie eine nutzbare Anschlussbahn. Ein Gleis wurde früher vom Agro Service Großenhain benutzt und verlief einige Meter parallel zur Berlin-Dresdner Bahn in Richtung Böhla. Diese Verbindung existiert aber nicht mehr.
Die zweite Anschlussbahn läuft links neben dem Hauptgleis Richtung Lampertswalde und erschloss früher den Flugplatz sowie die ehemalige Papierfabrik. Das Anschlussgleis der Papierfabrik nutzte mehrere Jahre die ITL Eisenbahngesellschaft aus Dresden und betrieb dort eine Recyclinganlage. Derzeit nutzt es die Firma Bothur, die ab und an Güterverkehr stattfinden lässt. Auch Zementumschlag zum Ausbau der Autobahn bei Thiendorf fand dort statt.
Im Cottbuser Bahnhof wurden in der Reichsbahnzeit täglich drei Nahgüterzugpaare aus Ruhland sowie vier Nahgüterzugpaare aus Richtung Coswig aufgelöst und gebildet, welche häufig mit Überlänge verkehrten. Ein- und Ausfahrt dieser Züge fand immer aus Gleis 14 (Richtung Ruhland) und aus Gleis 13 (Richtung Coswig) statt. Die Auflösung und Bildung dieser Züge geschah im Abstoßverfahren.
Häufig verkehrten bei Bauarbeiten auf der Berliner Strecke Umleitungszüge. Heute findet hier kein Güterverkehr mehr statt.
Reiseverkehr
In der Reichsbahnzeit verkehrten vier Eilzugpaare Dresden–Cottbus (–Frankfurt/Oder) und ein Eilzugpaar Dresden–Angermünde. Zwei Eilzugpaare führten Weitstreckenwagen der sowjetischen Staatsbahn als Kurswagen mit, die als Lademaßüberschreitung verkehrten.
Im Nahverkehr fuhren Züge der Relationen Priestewitz–Hoyerswerda und Priestewitz–Cottbus sowie Lübbenau.