Die Nonnenmühlgasse (amtlicher Straßenschlüssel 05201) ist eine kurze Anliegerstraße in der inneren südlichen Vorstadt von Leipzig (Ortsteil Zentrum-Süd, Gemarkung Leipzig, Flurstück 4426/7).
Die 54 Meter lange Straße beginnt am Martin-Luther-Ring und führt geradlinig und kreuzungsfrei nach Südosten, bis sie als Sackgasse endet. Seit dem 1. Juli 1993 gehört die Straße zum Postleitbezirk 04107.
Die Straße wurde im Jahr 1696 als Nonnengäßgen bzw. Klostergäßchen erwähnt und führte ihren Namen offenbar nach dem westlich gelegenen ehemaligen Benediktinerinnenkloster St. Georg. Im Jahr 1839 erhielt die Straße nach der ehemaligen Nonnenmühle den Namen Mühlgasse (Mühlgaſſe).?
Am 4. Dezember 1907 wurde beschlossen, der Straße mit Wirkung vom 1. Januar 1909 den Namen Nonnenmühlgasse (Nonnenmühlgaſſe) zu geben.
Ursprünglich führte die beidseitig bebaute Nonnenmühlgasse bis auf den Königsplatz (heute Wilhelm-Leuschner-Platz). Die im zweiten Weltkrieg fast vollständig zerstörte Bebauung wurde nicht wieder aufgebaut, so dass die inzwischen vom Wilhelm-Leuschner-Platz getrennte Straße hauptsächlich von Grünanlagen umgeben war.
Zwischen August 2012 und Mai 2015 wurde auf der Nordseite der Nonnenmühlgasse die (dritte) Propsteikirche St. Trinitatis errichtet, die die gesamte Straßenlänge einnimmt und die Hausnummer Nonnenmühlgasse 2 erhielt.