Свою историю Успенский кафедральный собор начинает, как главный монастырский храм одноименного женского монастыря г. Тулы, существовавшего с середины XVII века и до 1918 года.
На месте нынешнего собора первый каменный храм в честь Успения Пресвятой Богородицы существовал уже в середине XVIII века. За ветхостью храм был разобран, и в 1791-1792 годах была построена новая Успенская церковь с приделами в честь иконы Пресвятой Богородицы «Неопалимая Купина», во имя великомученика Пантелеимона, равноапостольной Марии Магдалины и преподобного Александра Свирского. В XIX столетии эта церковь пришла в ветхость и в 1857 году была расширена попечением игумении Клавдии. В 1898 году Успенская церковь была разобрана до основания, и на ее месте, при игуменьях Агнии и Магдалине, воздвигнут новый двухэтажный храм.
Успенская церковь была возведена в псевдорусском стиле. Освящение соборного храма состоялось 24 октября 1902г. На первом этаже было два престола: во имя св. равноапостольной Марии Магдалины и во имя вмч. Пантелеймона. На верхнем этаже – три: престолоцентральный – во имя Успения Божией Матери, справа – во имя иконы Божией Матери «Неопалимая Купина», слева – во имя преподобного Александра Свирского.
В 1909 году вновь построенный каменный храм, ставший двухэтажным, был художественно расписан внутри и частично снаружи. Среди прочих росписей выполнены пять прекрасных сюжетов, гениальных творений В.М. Васнецова, являющихся точными копиями росписи в Киевском Владимирском соборе.
Предположительно художники-копиисты были соработниками или учениками В.М. Васнецова, приглашённые в Тулу, и приехавшие из Киева с эскизами, чертежами и зарисовками оригиналов стенописи. Росписи выполнены мастерски, можно подумать, что они являются авторским повторением самого Васнецова. Однако в Туле он не был.
Среди богатой настенной живописи Успенского храма особенно выделяются своей самобытностью и яркостью красок орнаменты. Они представляют собой исключительную художественную ценность и не имеют аналогов. С приходом к власти большевиков монастырь был упразднен и собор в 1918 году 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. До 2005 года в храме располагался Государственный архив Тульской области, хотя договоренность с областной властью о передаче этого храма Церкви была достигнута еще в 1999 году во время первого визита в Тулу патриарха Алексия II, воплотить ее удалось только в 2006 году, поскольку размещавшийся в храме архив долго не мог перебраться в новое здание. В 2006 году было сделано многое, чтобы в храме возобновились службы: в здание проведен газ, свет, тепло, оштукатурен первый этаж, облагорожена территория перед храмом.
8 сентября 2006 года Успенский кафедральный собор г. Тулы торжественно передан общине верующих. 24 января 2007 года архиепископом Тульским и Белевским Алексием освящен престол нижнего храма в честь собора Тульских святых. Храм расписан в русском каноническом стиле.
10 мая 2012 года в Свято-Успенском кафедральном соборе митрополитом Тульским и Ефремовским Алексием в сослужении епископа Белевского и Алексинского Серафима и многочисленного духовенства торжественно освящен престол храма второго этажа в честь Успения Божией Матери. Это событие ознаменовало собой завершение реставрационных работ храма.
В Успенском соборе находятся святыни: мощи блаженного Иоанна, Христа ради юродивого, Тульского чудотворца; иконы с частицами мощей священномученика Игнатия Богоносца; блаженной Матроны Себинской, Московской; священноисповедника Агафангела, митрополита Ярославского; святителя Луки исповедника, архиепископа Крымского; ковчеги с частицами мощей священномученика Илариона, архиепископа Верейского и священноисповедника Николая, митрополита Алма-Атинского и Казахстанского.