Первоначально в Кремле в 1626 году был построен деревянный собор, который назывался Архангельский. Первый каменный Успенский собор с приделами во имя Архангела Гавриила и Тихона Амафунтского был возведен в 70-80-е годы XVII века. Менее чем через сто лет он обветшал и его разобрали. Строительство нового собора началось 7 мая 1762 года по благословению епископа Коломенского и Каширского Порфирия, на средства тульского купечества «из питейных сборов приборными деньгами». На постройку собора и его отделку было израсходовано около 30 тысяч рублей. Главным строителем храма был купец Лукьян Коптельцев с Софроном Сидневым и Андреем Володимировым. Здание возвели за два года к 8 мая 1764 года. В это время Лукьян Коптельцев умер, и на его место был определен бургомистр Тимофей Чечулин. Собор освятили в 1766 году, а через год был освящён устроенный в нём с правой стороны придел Иоанна Златоуста. Но после перенесения архиерейской кафедры в Тулу придел этот упразднили из-за тесноты, а на его месте обустроили соборную ризницу. Успенский собор являлся холодным, неотапливаемым храмом, и богослужения в нём проводились только в период от Пасхи до Покрова. Решением президиума Мособлисполкома 16 февраля 1930 года Успенский собор был закрыт, а его помещения предполагалось использовать под атеистический музей, который так и не был создан. В 1934 году ряд икон и облачений собора были переданы в Николочасовенскую церковь. В 1945 году решением Совета Министров СССР Успенский собор был отнесен к памятникам союзного значения. В 1960 году согласно постановлению Совета Министров РСФСР здание храма поставлено на государственную охрану. В 1961 году в бывшем соборе находился склад промтоваров. Реставрация Успенского собора началась в мае 1965 года, после того, как годом раньше Тульский горисполком приступил к комплексной научно-исследовательской реставрации кремля. Реставрационно-технический Совет Центральных научно-реставрационных мастерских Министерства культуры СССР принял решение о золочении пяти глав храма, что и было сделано в 1968—1970 годах. Тогда же полностью заменили кровлю, а чуть позже отремонтировали цоколь. В июле 1975 года по заданию отдела культуры Тульского горисполкома Всесоюзный производственный научно-реставрационный комбинат приступил к проектно-изыскательским работам по реставрации иконостаса Успенского собора и двух киотов. Состояние иконостаса к моменту начала реставрации было в целом удовлетворительным, конструктивная и обшивочная его система сохранила прочность и жесткость. Утраты резного декора составляли около 30 %. В 1982—1986 годах проводилось восстановление резьбы иконостаса из липы: резных накладок на цокольной части, царских врат, рам первого яруса. Стенопись на западной стене собора серьёзно пострадала от пожара 1950-х годов. В 1960-е годы вследствие проводившихся в кремле праздничных фейерверков была утрачена композиция Успения Богородицы и некоторые другие. К середине 1980-х стенопись храма находилась в аварийном состоянии. На стенах и столпах собора был местами утрачен живописный слой, что было вызвано как естественным старением живописи, так и механическими её повреждениями. В 1988 году московские художники под руководством В. Л. Лагутина приступили к реставрации стенописи Успенского собора.
В сентябре 1991 года исполком Тульского областного Совета народных депутатов принял решение о передаче Успенского кафедрального собора Тульского кремля в безвозмездное пользование Тульскому епархиальному управлению для совместного использования с филиалом областного краеведческого музея «Тульский кремль» по первоначальному назначению и для музейного показа. В 1990-х годах реставрация иконостаса не велась из-за отсутствия финансирования. С 1996 года прекратилось финансирование работ и по реставрации стенописи. В 2001 году реставрация собора была продолжена специалистами «Центрреставрации» из Москвы. В 2000—2001 годы реставратор А. Пятин воссоздал часть резных обрамлений икон местного чина иконостаса. 8 сентября 2005 года впервые была включена подсветка Успенского собора. В 2013 году, в рамках реставрационных работ в Тульском кремле, были проведены реставрационные работы и собора. Купола были позолочены, а стены храма окрашены в серый цвет. Весной 2020 года приступили к реставрации внутреннего убранства храма, фресок XVIII века, которые начали активно разрушаться в 2006 году из-за сильных морозов и перепада температуры воздуха в помещении, иконостаса высотой порядка 14 метров и шириной около 22 метров. Также проводятся прочие необходимые ремонтно-восстановительные работы элементов и систем собора, завершение которых запланировано на октябрь 2021 года.
