Время строительства первого, главного храма Успенского женского монастыря точно не установлено. Из документов XVIII века ясно, что это было каменное двухэтажное здание. В верхнем этаже был престол во имя Успения Пресвятой Богородицы и придел во имя преподобного Александра Свирского, в нижнем престол в честь иконы Божией Матери «Неопалимая Купина» и придел Николая Чудотворца. Со временем здание обветшало, начало уходить в землю, весной и в дождливые дни первый этаж заливался водой. Церковь разобрали и в 1791—1792 годы построили новую каменную, одноэтажную, на деньги, выделенные из казны Екатериной II, попечением тульского гражданского губернатора Андрея Ивановича Лопухина. Главный престол освятили во имя Успения Пресвятой Богородицы, южный придел был посвящён иконе «Неопалимая Купина», северный Александру Свирскому. В 1857 году храм, пришедший уже в довольно ветхое состояние, был расширен, после чего его обветшание только ускорилось.
В 1899 году приступили к разборке этой церкви, а к 1902 году на её месте воздвигли новое двухэтажное здание. Нижний теплый храм с одним престолом во имя равноапостольной Марии Магдалины и великомученика Пантелеймона целителя освятили 24 октября 1902 года. Верхний, с главным престолом Успения, 28 июня 1904 года, а приделы верхнего храма во имя иконы «Неопалимая Купина» и во имя Александра Свирского, 11 июля 1910 года и 3 июля 1911 года.
Успенская церковь была возведена в неорусском стиле. Сохранился её первоначальный, неосуществленный проект, который близок к построенному храму, но предусматривает несколько иные декоративные и пластические элементы. В процессе строительства отказались от готических элементов декора, стрельчатых обрамлений окон на барабанах. Не стали делать и горизонтальное трехчастное деление фасадов окнами, в случае такого деления здание казалось бы трехэтажным. Стены верхней церкви расписывались в 1909 году. Возможно художники были соработниками Виктора Васнецова, так как росписи храма являются точными копиями его работ в Киевском Владимирском соборе. На стене верхнего храма сохранилась надпись, «В 1909 году тщанием настоятельницы игуменьи Магдалины, с помощью благотворителей, соборный храм сей украшен стенным писанием и орнаментом». Стены собора сложены из тёмно-красного кирпича. Черные купола увенчаны крестами и полумесяцами. В соборе была похоронена почитаемая в Туле игуменья Агнии, которая занималась строительством храма.
С приходом к власти большевиков монастырь был упразднён и собор закрыт. В 1930-х годах его пытались взорвать, но собор оказался очень прочным и выстоял. Тогда с него сбили купола и разместили 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, а 24 января 2007 года престол нижнего храма освятил архиепископ Тульский и Белевский Алексий и туда были перенесены мощи святого Иоанна Тульского. 10 мая 2012 года в Свято-Успенском кафедральном соборе был торжественно освящен второй этаж. Оно ознаменовало собой завершение реставрационных работ храма.
