Uma pergunta semelhante recomendou consultar ~/.xsession_errors para ajudar no diagnóstico. Lá, encontrei várias mensagens de "erro de sintaxe" apontando para o arquivo /usr/sbin/lightdm-session . Os erros de sintaxe não estavam realmente nesse arquivo, mas esse é o script que o LightDM usa para carregar meus arquivos ~/.profile , ~/.bashrc e ~./bash_aliases após o login. Essa etapa estava falhando e, aparentemente, o resultado é que o LightDM o leva de volta à tela de login sem nenhuma explicação.
Inspecionando esses arquivos ainda mais, verifica-se que no final do meu ~./profile eu tinha as linhas:
export PATH="$HOME/.rbenv/bin:$PATH"
eval "$(rbenv init -)"
Foi o comando eval lançando o erro, presumivelmente por causa de alguma instalação Ruby quebrada ou corrompida. É possível que eu mesmo tenha adicionado essas linhas, mas não me lembro. Comentando-os, permiti que eu fizesse login novamente no Gnome Shell.