Die Nonnenstraße ist eine Anliegerstraße im Leipziger Südwesten. Sie liegt in den Stadtteilen Plagwitz (Nr. 1–29 und 2–48) sowie Kleinzschocher (Nr. 31–39 und 50–58) und hat den amtlichen Straßenschlüssel 05092.
Die 1 057 Meter lange Straße beginnt an der Karl-Heine-Straße (hier ursprünglich »Leipziger Allee«, später »Leipziger Straße«, Gemarkung Plagwitz, am westlichen Brückenlager der Plagwitzer Brücke über die Weiße Elster), führt zunächst einige Meter am Elster-Ufer entlang geradlinig nach Süden und biegt dann nach Südwesten, so dass sie (quasi als deren gedachte Verlängerung) genau in der Achse der am anderen Brückenlager endenden Käthe-Kollwitz-Straße (hier ursprünglich: Plagwitzer Straße) liegt. Diese Richtung behält die Nonnenstraße bis zu ihrem Ende, wobei sie stets in einem Abstand von ca. 60 Meter bis 120 Meter nordwestlich parallel der hier etwas geschwungenen Weißen Elster bleibt.
In ihrem nun geradlinigen Verlauf nimmt die Nonnenstraße zunächst die nach Nordwesten führende Erdmannstraße auf, kreuzt die Ernst-Mey-Straße (ursprünglich »Elsterstraße«), nimmt die nach Nordwesten abzweigende Weißenfelser Straße auf (hier ursprünglich »Poststraße«), überquert auf der Nonnenbrücke den Karl-Heine-Kanal, kreuzt dann die Industriestraße (hier ursprünglich »Carlstraße«, später »Jahnstraße«), wobei sie gleichzeitig in die Gemarkung Kleinzschocher wechselt, kreuzte von 1888 und 1925 ebenerdig die Leipzig–Plagwitzer Verbindungsbahn und etwas weiter ein ehemaliges Industriegleis und mündet schließlich in einem spitzen Winkel in die in Nord-Süd-Richtung verlaufende Erich-Zeigner-Allee (hier ursprünglich »Elisabethallee«). Die geradzahligen Hausnummern befinden sich auf der nordwestlichen Straßenseite. Postalisch gehörte die Straße zu »Leipzig W 31«, »7031 Leipzig«, und seit dem 1. Juli 1993 zum Postleitgebiet »04229 Leipzig«.
Die Straße wurde in den 1860er Jahren in der Gemeinde Plagwitz angelegt und erhielt hier den Namen Nonnenstraße (Nonnenſtraße?, nach dem auf der gegenüber liegenden Elster-Seite liegendem Waldstück »Die Nonne« und damit letztlich nach dem mittelalterlichen Benediktinerinnen-Kloster St. Georg). Der in Kleinzschocher liegende Teil der Straße (Flurstück 309g) hieß ursprünglich Elsterstraße1) (Elſterſtraße).
Entlang der Plagwitzer Nonnenstraße siedelten sich rasch zahlreiche Industriebetriebe an, unter anderem vor 1860 Dr. Sellnicksche Teppichweberei (Nonnenstr. 5, 1870 an Mey & Edlich verkauft), 1869 Fa. Mey & Edlich (Nonnenstr. 5 sowie 12–18), 1875 Fa. Tittel & Krüger (Wollgarnfärberei; seit 1952: VEB Leipziger Wollgarnfabrik, seit 1969 zum VEB Buntgarnwerke Leipzig), 1878 Fa. Phil. Penin (Nonnenstr. 42/44).
Nachdem am 1. Januar 1891 sowohl Plagwitz als auch Kleinzschocher in die Stadt Leipzig eingemeindet wurden und es den Straßennamen »Elsterstraße« in der Leipziger Westvorstadt schon gab, wurde am 9. Dezember 1891 beschlossen, die Elsterstraße in Kleinzschocher mit Wirkung vom 4. Mai 1893 mit zur Nonnenstraße zu ziehen. Dabei erhielten alle Häuser neue Hausnummern.
Von 1897 bis 1922 führte über den nördlichen Abschnitt der Nonnenstraße die zweigleisige Altplagwitzer Straßenbahntrasse der (blauen) Großen Leipziger Straßenbahn. Sie kam (landwärts gesehen) von der Plagwitzer Straßenbahntrasse, wo sie an der Plagwitzer Brücke nach Süden in die Nonnenstraße einbog, und verließ die Nonnenstraße an der Weißenfelser Straße, in die sie nach Nordwesten einbog.
Am 23. Februar 1933 traf an der Kreuzung Nonnenstraße / Ernst-Mey-Straße eine Gruppe des Reichsbanners Schwarz-Rot-Gold mit einem SA-Trupp zusammen. Dabei wurde der Plagwitzer Maschinenschlosser Walter Heinze (1900–1933) erstochen – er war das erste Todesopfer der Leipziger Arbeiterbewegung nach der nationalsozialistischen Machtergreifung vom 30. Januar 1933.
Bei der Einführung der Kommunalen Gliederung am 18. März 1992 wurde die gesamte Nonnenstraße dem Ortsteil 51 Plagwitz zugeordnet.