После указа Екатерины II о запрете захоронений на кладбищах в пределах города тульские власти выделили землю под новое кладбище на юге Тулы. Кладбищенская церковь на посаде вначале была деревянной. Сразу же по её построении, в марте 1773 года по прошению жителей Тулы дана была благословенная грамота на возведение каменной церкви во имя Второго Пришествия Христова с приделами во имя Воскрешения Лазаря и во имя Всех Святых. Строителем храма стал купец Герасим Стефанович Сушкин, но в 1774 году он умер, и позже был погребён в алтарной части храма. Строительство продолжил его зять, купец I гильдии Иван Афанасьевич Герасимов. В 1776 году одноэтажная церковь была построена и освящена. Иконы местного ряда для неё написаны иконописцем, тульским оружейником Григорием Ивановичем Белоусовым. В церковной описи, приложенной к делу об освящении храма, говорится: «Свежесть красок, тщательность, даже некоторая художественность отделки фигур, в особенности лиц, и другие достоинства иконописного искусства ставят Белоусова выше обыкновенных иконописцев». В 1788 году душеприказчики тульского купца Никифора Трофимовича Девяткина просили дозволения построить на посадском кладбище «верхнюю церковь» во имя Преображения Господня на завещанные им для этого деньги. Второй этаж отстроили за два года, но произошло несчастье, угрожавшее опасностью всему зданию, 8 августа 1790 года после завершения литургии, которую служили в нижней церкви, обрушился один из пяти куполов, увенчивающих церковь, проломил своды и верхнего, и нижнего храма. При этом погибли три человека. Губернский архитектор Никифор Сокольников запретил проводить службы в нижней церкви, и возобновили их только через пять лет. Строительство верхнего храма завершили в 1797 году, а освятили его в 1825 году. В краеведческой литературе встречается предположение, что проект нового, облегченного и недоразвитого, пятиглавия Всехсвятской церкви разработал тульский архитектор Козьма Сокольников. На это указывает характерная постановка цельного купола храма почти непосредственно, без барабана, на основной объём здания приём, встречающийся в Туле только здесь и в церкви Рождества Богородицы в Гончарах, спроектированной Козьмой Сокольниковым. Сходны и формы куполов этих двух храмов, и полукруглые люкарны, окна в куполе, освещающие внутреннее пространство здания.
В 1863 году в правой стороне верхней церкви был освящён престол во имя Воскресения Христова. На протяжении сорока лет в ведении причта Всехсвятской церкви находилась часовня на Хлебной площади. Стояла она примерно в нынешней северной части Центрального рынка недалеко от входа с улицы Пирогова. Часовня была каменной, крыта железом, окрашенным медянкой, имела пять глав. Среднюю, большую венчал позолоченный крест, четыре малые покрашенные железные кресты. Всесвятской называлась одна из тульских улиц — часть современной улицы Л. Толстого от кладбищенской стены до улицы Новомосковской. С 1923 по 1944 год храм находился в ведении обновлеческой Тульской епархии; после закрытия Успенского кафедрального собора в кремле в феврале 1930 года считался каферальным собором обновленцев. Последний Тульский обновленческий архиепископ Пётр Турбин 17 января 1944 года принёс покаяние и был принят в Московский патриархат в сане протоиерея. Вскоре церковь стала кафедральным собором Тульской и Белевской епархии, 13 июля 1944 года архиепископом Тульским был назначен воссоединённый из обновленчества епископ Виталий Введенский, ранее, в 1922—1930 годах, занимавший Тульскую обновленческую кафедру. Стены нижнего и верхнего храмов собора были расписаны в 1955—1960 годы московскими художниками Павлом Александровичем Гладковым и Виктором Михайловичем Голубевым. В 1960 году, согласно Постановлению Совета Министров РСФСР, Всехсвятский собор и колокольня были поставлены на государственную охрану как памятники истории и культуры. По благословению митрополита Тульского и Белевского Ювеналия осуществлена реконструкция колокольни Всехсвятского собора, работы начались в феврале 1978 года. К декабрю 1978 года были закончены внешние работы, выполнены перекрытия девяти этажей железобетонными плитами, устроено отопление. В 1979 году установлен и пущен в эксплуатацию лифт. 17 июня 1979 года колокольня была освящена. К декабрю завершились штукатурные и отделочные работы внутри всей колокольни. Представительский зал на втором этаже колокольни расписал московский художник Борис Иванович Мухин. Организацией всех работ по реконструкции колокольни занимался ключарь Всехсвятского собора протоиерей Лев Махно. В 1988 году Всехсвятский кафедральный собор был центром праздничных мероприятий посвящённых 1000-летию крещения Руси. 2 декабря 2003 года в ночное время была впервые включена подсветка колокольни Всехсвятского собора.
