Вчерне собор возвели за три года. К октябрю 1858 года он был покрыт белым листовым железом по железным стропилам, большая глава позолочена, оштукатурены внутренние стены, устроены в окнах двойные рамы с бемскими стеклами, в подвале в калориферных камерах установлены три больших печи для обогрева собора. На шестом году строительства купол был расписан мастерами, которыми руководил московский иконописец Семён Борисов. У трёх входов в храм сделаны три каменных крыльца. Чуть позже закончена стенопись, намощен дубовый пол, поставлен изящный сосновый иконостас, выполненный московским мастером Никанором Софроновым, с иконами того же Семена Борисова. Внутри собора установили две малые печи, для большей теплоты и осушения помещения. За усердие при возведении собора церковный староста В. Кузовлев был награждён орденом Св. Анны III степени. Денежные пожертвования на строительство собора вносили епископы Тульские и Белевские, дворяне, купцы, оружейники. Наиболее крупные взносы были сделаны купцом Семёном Красноглазовым и оружейником Максимом Лялиным. Немало утвари пожертвовал новому храму городской голова Николай Добрынин. Храм был освящён в 1862 году. Со времени построения Богоявленский собор имел духовое отопление. Вентиляционные каналы были выведены в дымовые трубы и действовали только во время топи печей, и то очень слабо. Из-за недостатка вентиляции в храме приходилось держать открытыми множество форточек. Во время богослужений чувствовалось, как сказано в «Тульских епархиальных ведомостях», «постоянное движение воздуха», видимо, неприятный сквозняк. К тому же из-за трещин в отопительных трубах в храм попадала копоть, оседавшая на настенных росписях и иконостасе. А при значительном нагреве калориферов воздух терял кислород, и людям было трудно дышать. Проблема требовала решения. В Туле в некоторых домах уже было водяное отопление.В начале 1890-х годов решили такое же устроить в храме, а заодно и надежную вентиляцию. Для этого требовалось 25 тысяч рублей. У храма были проценты капитала, пожертвованного 15 лет назад СИ. Трухиным на золочение иконостаса, 12 тысяч рублей. Церковный староста И. К. Платонов принял мудрое решение, иконостас подождет. И добавил к 12 тысячам недостающие 13 тысяч из собственных средств. Земляные работы начались в августе 1892 года. Когда для подводки труб пробили бут, то обнаружили закладную доску храма. Её положили на место и прикрыли камнем. Надпись на доске гласила, «В царствование Его Величества Благочестивейшего государя Императора Александра Николаевича, в лето от Рождества Христова 1855-го Июля 17 дня заложен сей Соборный храм во имя Богоявления Господня по совершении подателю всех благ Господу Богу молебствия Димитрием, епископом Тульским и Белевским, в присутствии сего кафедрального собора братии, гражданского губернатора Петра Михайловича Дарагана, городских чинов, купечества и граждан Тулы, городского головы Петра Добрынина, строителей Вукола Кузовлева, Николая Миляева, попечителей Александра Постникова, Александра Ермолаева, Ивана Петрова, Ивана Винникова и помощника старосты Ефима Неглинского, почетных оружейников Ивана Маликова, Николая Короткого, Якова Лялина, составителя плана и строителя архитектора Михаила Михайлова и прочих лиц, усердствовавших в построении сего Соборного храма. Подрядчик каменных работ Михаил Горбунов».
Согласно постановлению президиума Мособлисполкома от 16 февраля 1930 года Богоявленский собор был закрыт. Предполагалось переоборудовать его под Дворец физкультурников с несколькими крупными спортивными секциями, актовым залом и читальней. Проект не осуществился. В здании бывшего собора разместился аэроклуб, а с 1950-х годов клуб физкультурников. Четыре маленьких главы снесли, не уцелело и луковичное завершение центральной главы. В 1961 году в бюро технической инвентаризации даже не имелось сведений, кем занят храм. В 1966 году Богоявленский собор не включили во вновь составляемый перечень памятников истории и культуры, взятых на государственную охрану. В 1960-х годах было решено разместить в бывшем соборе музей оружия. С 1972 по 1989 год проводилась реконструкция здания. Вход в музей сделали с востока, пробив алтарную стену и устроив кирпичную пристройку. Было установлено железобетонное монолитное перекрытие, после чего здание стало двухэтажным. На приспособление храма под музей оружия затратили 1,3 миллиона рублей. В 1991 году здание храма было поставлено на госохрану в качестве памятника истории и культуры регионального значения. В 2012 году большая часть экспозиции была перевезена в здание нового музея оружия в Заречье. В январе 2015 года начались работы по реставрации здания бывшего собора, однако воссоздание прежнего пятиглавия в ближайшие годы не планируется, т.к. музей оружия не планирует освобождать помещения.
