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Nachdem auf dem Petersberg 1886 mit dem Bau eines Hotels begonnen wurde, nahm man auch die Planungen zum Bau einer Eisenbahn von Königswinter am Rhein hinauf zum Berggipfel auf. Diese wurde, wie die schon 1883 eröffnete Bahn zum benachbarten Drachenfels, als Zahnradstrecke mit 1 m Spurweite ausgeführt und am 20. April 1889 offiziell eröffnet. Bereits am 12. November 1888 gab es Probefahrten und bis zur offiziellen Eröffnung wurde die Bahn bereits für Materialtransporte zum Hotel auf dem Gipfel eingesetzt.
Betreiber der 1,35 km langen Bahn mit bis zu 26 % Steigung war die Petersberg Zahnradbahn AG. Das Hotel und die Bahn auf den Petersberg wurden 1913 von Ferdinand Mülhens erworben und die Bahnen 1923 mit der benachbarten Drachenfelsbahn zu der "Bergbahnen im Siebengebirge AG" fusioniert. Zuvor wurde 1920 die Strecke der Petersbergbahn kurz vor der bisherigen Talstation beim Gasthof "Zum kühlen Grund" verlegt und um rund 400 m bis zum Heisterbacher Weg (heute: "Am Kissel") hinter dem Königswinterer Reichsbahnhof verlängert und hier ein neuer Talbahnhof mit Lokomotivhalle errichtet. Eine weitere, noch 1958 projektierte Verlängerung der Petersbergbahn an der Talstation um 120 m mit einem Bahnsteig direkt parallel zu den Gleisen des DB-Bahnhofs Königswinter wurde durch die Betriebseinstellung im selben Jahr nicht mehr ausgeführt.
Seit etwa 1929 war nur noch eine Dampflok im Betrieb. Kriegsbedingt wurde der Verkehr auf der Petersbergbahn 1944 eingestellt und 1947 mit einer Dampflok wieder aufgenommen. Die Einstellung des Betriebs war für den 31. Oktober 1958 geplant, doch nach dem schweren Unglück auf der Drachenfelsbahn am 14. September 1958 wurde der Betrieb hier umgehend eingestellt. Die Gleisanlagen zum Petersberg wurden erst Ende der 1970er Jahren restlos abgetragen.
Die ersten zwei Lokomotiven wurden, wie auch zwei Personen- und ein Güterwagen, 1889 von der Maschinenfabrik Esslingen geliefert. 1927 kam eine neue Lokomotive, die fünfte der Bergbahnen im Siebengebirge, die ebenfalls von Esslingen stammte und 1938 an die Niederwaldbahn abgegegben wurde. Die Einsatzlok tauschte man mehrmals aus, nach dem Unfall 1958 wurden alle Fahrzeuge verschrottet.
| Nr. | Hersteller | FNr. | Bj. | Art | Spur mm | LüP mm | Achsstand mm | Dienstge- wicht t | Vmax km/h | Bemerkung |
| 1 | Esslingen | 2308 | 1888 | 2/a-n2t | 1000 | 5830 | 2350 | 17,6 | 8 | 1926-29 ++ |
| 2 | Esslingen | 2309 | 1888 | 2/a-n2t | 1000 | 5830 | 2350 | 17,6 | 8 | 1926-29 ++ |
| 5 | Esslingen | 4161 | 1926 | 1000 | 7300 | 4000 | 25,4 | 8 | 1938 an Rüdesheimer Niederwaldbahn | |
| 1" | Esslingen | 4225 | 1929 | (2)1'/b-h2t | 1000 | 7300 | 4000 | 25,4 | 8 | von Drachenfelsbahn, 1958 ++ |
| 4 | Esslingen | 4220 | 1928 | (2)1'/b-h2t | 1000 | 7300 | 4000 | 25,4 | 8 | 1951-56 von Drachenfelsbahn, 1958 ++ |
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