На этом месте первый каменный Успенский храм существовал в середине XVIII в., за ветхостью был разобран, и в 1791—1792 гг. была построена новая Успенская церковь с приделами иконы Пресвятой Богородицы «Неопалимая Купина», Великомученика Пантелеимона, Равноапостольной Марии Магдалины и Преподобного Александра Свирского. 
 
В XIX столетии эта церковь пришла в ветхость и в 1857 г. была перестроена (точнее, расширена) попечением игуменьи Клавдии. В 1898 г. Успенская церковь была разобрана до основания, и на её месте воздвигнут новый двухэтажный храм (при игуменьях Агнии и Магдалине). 
 
Храм был освящён 24 октября 1902 г. В первом этаже храма (трапезном зале) было два алтаря: во имя Святой Равноапостольной Марии Магдалины и во имя Великомученика Пантелеимона. В верхнем этаже храма — три престола: средний — во имя Успения Божией Матери, справа — «Неопалимой Купины», слева — во имя Преподобного Александра Свирского. 
 
В этом храме находилась могила почитаемой в Туле игуменьи Агнии (в схиме — схиигуменья Феодосия). Стены ограды и колокольня церкви не сохранились. В 1909 году собор был расписан внутри и частично снаружи. 
 
После Октябрьской революции собор был закрыт. В 1930-х годах его пытались взорвать, но произошли лишь разрушения храма. Затем здесь был размещён филиал государственного архива. В конце 1980-х была произведена реконструкция здания. Вновь были установлены купола и укреплено основание собора. 
 
8 сентября 2006 года собор был возвращён верующим.  24 января 2007 года престол нижнего храма освятил архиепископ Тульский и Белевский Алекси́й и туда были перенесены мощи святого Иоанна Тульского. 
 
К моменту передачи храма на средства благотворителей и прихожан были проведены основные ремонтно-реставрационные работы на первом этаже, восстановлены необходимые коммуникации, благоустроена прилегающая территория. Реставрационные работы на втором этаже храма начались в 2010 году. Силами открытого акционерного общества «Тулареставрация» и на средства Тульской епархии, благотворителей и верующих был изготовлен иконостас, проведены работы по реставрации росписей учеников знаменитого художника В. Васнецова.