Im Jahr 1503 erhielt der Großfürst Iwan Wassiljewitsch die Verwaltung eines Drittels der Städte von Rjasan, einschließlich Tula. Von diesem Zeitpunkt an wurde Tula für immer Teil des Moskauer Fürstentums. Um den Weg nach Moskau vor der Bedrohung durch die Krim-Horde zu schützen, befahl Wassili Iwanowitsch 1507 den Bau einer Eichenfestung in Tula am linken Ufer des Flusses Upa und ließ die alte Stadt an dem Fluss Tuliza zurück. Die hölzerne Festung hatte die Form eines verlängerten Halbkreises und war mit deutschen und Moskauer Handfeuerwaffen und Kanonen ausgestattet. Der Bau wurde 1509 abgeschlossen, und sie stand 231 Jahre lang. 1514 befahl Wassili innerhalb der Eichenfestung, nach dem Vorbild des Moskauer Kremls, eine „Steinstadt“ zu errichten, die bis 1520-1521 fertiggestellt wurde. Der Woskresenski-Chronik zufolge wird im Jahr 1509 der Bau des Kremls erwähnt: „Auf Befehl des Großfürsten Wassili Iwanowitsch wurde die Stadt in Tula aus Holz errichtet, und im fünften Jahr wurde die Stadt aus Stein errichtet.“ 1552 wurde die Stadt von den Truppen des Krim-Khans Dewlet I. Girej belagert, während Zar Iwan der Schreckliche mit seiner Armee auf dem Weg nach Kasan war. Die Garnison des Kremls und die Stadtmiliz hielten die Verteidigung bis zum Eintreffen von Verstärkungen aus Kolomna. Zum Gedenken an diese Ereignisse wurde im Tulaer Kreml ein Grundstein nahe dem Iwanowskij Tor gesetzt. In der zweiten Hälfte des 16. Jahrhunderts entstand um den Steinkreml eine Handelsfestung, deren Fläche zehnmal größer war als die des Steinkremls. Dieses Gebiet war damals die Grenze von Tula. 1605 läutete eine Glocke die Einwohner über die Ankunft von Pseudodmitri I. und Tula wurde für zwei Wochen zur Pseudihauptstadt des Russischen Staates. Im Kreml kamen Adelige, Ritter, Kosaken und andere Dienstleute, um dem Selbsternannten Treue zu schwören. 1607 fand während des Bauernkriegs der Anführer der Rebellen, Iwan Bolotnikow, in Tula Zuflucht. Im selben Jahr belagerten die Truppen von Zar Wassili Schujski im Tulaer Kreml die Anführer der Bauernbewegung, Iwan Bolotnikow und Iljika Muromez, der sich als „Zarewitsch Peter“ ausgab. Der Kreml hielt eine lange Belagerung aus, wurde jedoch durch die List eines Boyarensohnes eingenommen, der dem Zarsoldaten vorschlug, den Fluss Upa mit Erdtaschen zuzuschütten und einen Damm zu errichten. Das Wasser überflutete den Kreml, und die Rebellen kapitulierten. Zum Gedenken an diese Ereignisse wurde 1953 im Tulaer Kreml ein Obelisk errichtet. All die Zeit diente der Kreml als Heimat für die Tulaer. Laut den Schreiberbüchern gab es Ende des 17. Jahrhunderts im Tulaer Kreml 107 Höhlen und 197 Einwohner. Die erste Straße von Tula befand sich ebenfalls im Kreml und hieß Große Kremlstraße.

Nach der Wiedervereinigung der linksufrigen Ukraine mit Russland in der Mitte des 17. Jahrhunderts verlor der Kreml seine Bedeutung und wurde in der Peterszeit nicht mehr in den Registern der Festungen aufgeführt. Reparaturarbeiten im Kreml wurden im späten 18. und 19. Jahrhundert durchgeführt, in den 1930er Jahren wurden alle baufälligen Gebäude von den Mauern des Kremls entfernt, in den 1950er Jahren fand eine teilweise Renovierung statt, und in der Mitte der 1960er Jahre begann eine umfassende wissenschaftliche Restaurierung zur Wiederherstellung des ursprünglichen Erscheinungsbildes des Kremls. 2012 wurde die Wohltätigkeitsstiftung „Tulaer Kreml“ gegründet, die 1648 Wohltäter zählt, die Mittel zur Wiederherstellung des Kremls gespendet haben. Im selben Jahr wurde auf Kosten der Stiftung eine Drainage von dem Odoyev-Turm bis zum Wassertor-Turm durchgeführt. 2013 wurden Restaurierungs- und Verbesserungsarbeiten an den Handelsreihen durchgeführt, ein neuer Pavillon am Naugolny-Turm errichtet und die Zinnen an der Wand zwischen dem Nikitski- und dem Iwanowskij-Turm wiederhergestellt. Auch die Restaurierung der Uspenski-Kathedrale wurde durchgeführt, ihre Fassade wurde grau und die Kuppeln mit Gold überzogen. Von 2012 bis 2014 fand eine umfassende Rekonstruktion der Mauern im Kreml statt, und das Gelände wurde von einem Kraftwerk befreit, das dort seit dem frühen 20. Jahrhundert stand. In diesem Zeitraum wurde auch der Glockenturm der Uspenski-Kathedrale rekonstruiert, der in den 1930er Jahren zerstört worden war. 2017 wurde die ehemalige Unterstation in das „Ausstellungszentrum des Tulaer Kremls“ umgebaut. Der Komplex umfasst vier Ausstellungsräume: das Museum für Militärgeschichte der Tula-Region, das Museum für Volkskunst der Tula-Region, das Museum für Samoware und Tulaer Lebkuchen sowie das Museum für die Geschichte des Tulaer Kremls. Außerdem gibt es im Komplex einen „freien“ Raum für temporäre Ausstellungen, Foren, Treffen und Konferenzen. Am 10. November 2016 unterzeichnete der Präsident Russlands ein Dekret zur Feier des 500-jährigen Bestehens des Tulaer Kremls im Jahr 2020. Am 8. September 2018 wurde die Kazan-Uferpromenade eröffnet, die mehr als ein halbes Jahrhundert vor den Einwohnern und Gästen der Stadt verborgen war. Im April 2019 wurde im Rahmen des Allrussischen Forums „Kremls Russlands und ihre Rolle in der Geschichte des Russischen Staates“ im Tulaer Kreml ein Archäologiemuseum eröffnet, das im Stil archäologischer Ausgrabungen gestaltet ist. Das Museum enthält Artefakte, die bei der Rekonstruktion des Kremls in den Jahren 2012-2015 gefunden wurden.