По предположению исследователей, в середине вновь построенного в 1520 году каменного кремля находилась первоначально деревянная церковь. В 1626 году эта церковь носила название Архангельского собора и имела придел в честь Василия Парийского. В 1684—1685 годах была построена первая каменная церковь и при ней небольшая колокольня. Новый собор назывался Успенским и имел два придела: Архистратига Гавриила и Тихона Амафунтского.

Ныне существующий собор построен в 1762—1766 годах. Имя талантливого зодчего, создавшего собор, не сохранилось. В 1767 году с правой стороны собора был освящен придел во имя Святого Иоанна Златоуста, упраздненный в 1799 году. В 1772 году к западу от собора начата постройка четырехъярусной, с высоким позолоченным шпилем, колокольни с часами по проекту архитектора Праве. Колокольня построена после 1781 года. Под колокольней находился небольшой храм в честь Святого Тихона Амафунтского (1778 года) с приделом Святого Иоанна Златоуста (1853 года). В 1913 году в Тихоновом приделе временно совершали богослужение единоверцы города Тулы.

Большую художественную ценность представляет деревянный резной золоченый шестиярусный иконостас, сделанный тульскими резчиками.

Внутри собора с правой стороны около амвона, у стены, погребен архиепископ Никандр (Покровский, умер в 1893 году), управлявший епархией более 30 лет.

Собор являлся свидетелем многих исторических событий нашей Родины: из собора после напутственных молитв ратные люди уходили на сражение с врагами, в нем же проходили встречи воинов после побед русского оружия.

В соборе хранились исторические реликвии: три знамени тульского ополчения 1812—1814 годов и одиннадцать знамен войск, принимавших участие в крымской кампании 1855—1856 годах.

В советское время церковь закрыли. Колокольня сгорела и разобрана в 1936 году.

Собор возвращен верующим; в нем регулярно проводятся богослужения. Восстановлена колокольня в 2013 году.