В 1503 году великий князь Иоанн Васильевич получил во владение треть рязанских городов, в том числе и Тулу. С этого времени Тула навсегда осталась собственностью Московского княжества. Для того чтобы обезопасить путь к Москве, в связи с возрастанием военной опасности со стороны Крымской орды, Василий Иоанович в 1507 году повелел заложить в Туле, на левом берегу реки Упы, оставив старое городище при речке Тулице, дубовую крепость, острог. Деревянный сруб имел вид вытянутого полукруга. Острог был вооружён немецкими и московскими пищалями и пушками, был закончен в 1509 году и простоял 231 год. В 1514 году внутри дубовой крепости, по примеру московского кремля, Василий повелел заложить «каменный город», построенный к 1520-1521 годам. Воскресенский летописный свод под 1509 годом сообщает о строительстве кремля, «Повелением великого князя Василия Иоановича поставлен город на Туле деревян, а на пятое лето поставлен град камен». В 1552 году город осаждало войско крымского хана Девлет I Гирея. В это время царь Иван Грозный с основной армией был в походе на Казань. Гарнизон кремля и городское ополчение сражалось до прихода подкреплений из Коломны. В память об этих событиях в Тульском кремле был установлен закладной камень недалеко от Ивановских ворот. Во второй половине XVI века вокруг каменного кремля появился посадский острог, деревянная охраняемая крепость в десять раз превышавшая площадь каменного кремля. Эта территория в то время была границей Тулы. В 1605 году колокол известил жителей о прибытии Лжедмитрия I и Тула на две недели превратилась в псевдостолицу Русского государства. Именно сюда, в кремль, приезжали присягать на верность самозванцу бояре, дворяне, казаки и прочие служивые люди. В 1607 году во время крестьянской войны, в Туле нашёл убежище предводитель повстанцев Иван Болотников. В 1607 году в Тульском кремле войском царя Василия Шуйского были осаждены предводители крестьянского движения, Иван Болотников и Илейко Муромец, выдававший себя за «царевича Петра». Кремль выдержал очень долгую осаду, однако был взят благодаря хитрости одного сына боярского, посоветовавшего войску царя забросать реку Упу мешками с землёй и создать плотину. Вода из реки затопила кремль, и повстанцы капитулировали. В память об этих событиях в 1953 году в Тульском кремле был воздвигнут обелиск. Всё это время кремль являлся «домом» для всех туляков. Согласно писцовым книгам, в конце XVII века в тульском кремле было 107 дворов и 197 жителей. Первая улица Тулы находилась тоже в кремле и называлась Большой Кремлёвской.
После воссоединения левобережной Украины с Россией в середине XVII века кремль совсем утрачивает своё значение и в петровское время в реестры крепостей уже не попадает. Ремонтные работы в кремле проводились в конце XVIII и XIX веков, в 1930-х годах от стен кремля убрали все ветхие строения, в 1950-х провели частичный ремонт, а в середине 1960-х велась комплексная полная научная реставрация с целью восстановить первоначальный облик кремля. В 2012 году был создан благотворительный фонд «Тульский кремль», который насчитывает 1648 благотворителей, перечисливших деньги на восстановление кремля. В том же году за счёт средств благотворительного фонда провели дренаж от Одоевской башни до башни Водяных ворот. В 2013 году были проведены работы по реставрации и благоустройству торговых рядов, установлен новый шатёр Наугольной башни, восстановлены зубцы на стене между Никитской и Ивановской башнями. В то же время была произведена реставрация Успенского собора, фасад которого приобрёл серый цвета, а купола покрыты позолотой. С 2012 по 2014 год в кремле была произведена масштабная реконструкция стен, а с территории была выведена электростанция, располагавшаяся там с начала XX века. С 2012 по 2014 год в кремле была произведена реконструкция колокольни Успенского собора, разрушенной в 1930-е годы. В 2017 году бывшая подстанция была переоборудована в «Выставочный центр Тульского кремля». Комплекс состоит из четырёх выставочных залов, Музей военной истории Тульского края, Музей народного искусства Тульского края, Музей самоваров и тульского пряника и Музей истории Тульского кремля. Также в комплексе находится т.н. «свободный» зал, в котором размещаются временные экспозиции, а также проводятся форумы, встречи и конференции. 10 ноября 2016 года Президент России подписал указ о праздновании в 2020 году 500-летия Тульского кремля. 8 сентября 2018 года открылась Казанская набережная, скрытая от жителей и гостей города на протяжении более полувека. В апреле 2019 года в рамках Всероссийского форума «Кремли России и их роль в истории Российского государства» в Тульском кремле открылся музей археологии, стилизованный под археологические раскопки. Музей содержит артефакты с раскопок при проведении реконструкции кремля в 2012-2015 годах.
