На месте современного храма в XVII веке для оружейников были возведены два деревянных храма. В 1730 и 1734 годах на их месте появился новый большой двухэтажный храм. Основателем его считают сына Никиты Демидова, Акинфия Демидова. Изначально церковь строилась по традиционному плану: по линии восток-запад располагались алтарь, основной объём, трапезная и колокольня. Однако 3 октября 1730 года только что построенная колокольня, вероятно, находившаяся над демидовской усыпальницей, обрушилась, в результате чего погибло пятнадцать человек, а девять получили увечья. Позже колокольню возвели отдельно на другой стороне Никольского переулка, ныне Оружейного. Здание храма имеет прямоугольную форму, сильно удлинено, с повышенной средней частью. Архитектурная композиция, больше напоминающая дворцовую, чем культовую, и декоративное убранство относят церковь к петербургскому барокко конца XVII, начала XVIII века. Четырёхгранный изогнутый купол завершается нарядным фонарем с живописной главкой. В нижнем, тёплом этаже располагались престолы во имя святителя Николая Чудотворца и апостола Андрея Первозванного, в верхнем, не отапливаемом, в честь Рождества Христова. К началу XX века в храме появился ещё один придел, посвященный святому Тихону Калужскому. В 1734 году на первом этаже храма была устроена часовня-склеп для погребения членов семьи Демидова.

Колокольня, когда-то имевшая часы-куранты, отличается по стилю от храма. Она сохранила типичную для ярославских и суздальских звонниц XVII века схему высокого столпообразного восьмерика на четверике основания. Завершение колокольни представляет собой ступенчато убывающие восьмерики вместо привычного шатра. В XIX веке на звоннице было 13 колоколов, самый большой из которых весил более четырёх тонн. Колокольню и второй этаж храма соединяла металлическая галерея с ажурной решеткой, существовавшая до 1779 года. В 1770-х и 1780-х годах здание подвергалось ремонту и перестройкам. 2 мая 1779 года в Заречье произошел большой пожар, который повредил Николо-Зарецкую церковь, особенно её кровлю, верхний храм и галерею. Огонь нанёс ущерб практически всем прихожанам, поэтому восстановление затянулось на несколько лет. К 1803 году вся церковь с папертью была расписана. Помимо Демидовых, среди благотворителей храма были представители других известных тульских родов, такие как Андрей и Иван Родионовичи Баташевы, которые помогали в восстановлении церкви после пожара. Вклад в храм делали также оружейники Лялины, Коротковы, купцы Зверев, Белоусов и другие. В 1862 году в верхнем храме был установлен новый иконостас вместо прежнего, пришедшего в ветхость. 2300 рублей на это пожертвовал настоятель храма протоиерей Иоанн Мясновский. В 1914 году вдоль улицы Демидовской и Никольского переулка, ограничивавших церковный участок с запада и юга, появилась кованая ограда на белокаменном цоколе. При храме имелся приют, в котором в начале XX века проживали четыре пожилые женщины. Богадельня при Николо-Зарецкой церкви упоминалась ещё в 1782 году. Церковно-приходская школа действовала при храме с 1894 года. По основным алтарям церковь называли то Никольской, то Христорождественской, «что за Упою рекою» или «что в Казенной слободе». В конце XIX, начале XX века её официальное название было Христорождественская, что на Оружейной стороне. В народе же храм называли Николо-Зарецким или Николой Богатым. В советской краеведческой литературе 1920-х, начала 1930-х годов храм именуется Николой Казенным. В одном из документов 1930 года об использовании храма после закрытия он назван Николой Зелёным по цвету фасадов. По храму получил своё название Никольский переулок, в 1924 году переименованный в Оружейный. В 1924 году храм был внесен в список церквей и монастырей Тульской губернии, состоящих на учете отдела по делам музеев и охране памятников искусства и старины Народного комиссариата просвещения. Впервые решение о закрытии церкви тульские власти приняли в 1930 году. Здание предполагали передать Осоавиахиму для организации Дома химобороны. Но верующие обратились во ВЦИК, и президиум этой верховной инстанции отменил решение о закрытии храма. Николо-Зарецкую церковь закрыли после вторичного решения 13 августа 1934 года. После этого в течение двух дней происходило открытое разграбление храма, остановленное только благодаря запоздалому вмешательству милиции. В церкви в разное время размещались «Заготзерно», использовавшее здание под зернохранилище, учебный центр Автодора, жилищные службы Зареченского района, склад базы снабжения Тульского треста столовых. Часть храма отдали под жильё. Две семьи проживали и в нижнем ярусе колокольни. Комплекс Николо-Зарецкой церкви был поставлен на госохрану в 1960 году согласно постановлению Совета Министров РСФСР как памятник истории и культуры федерального значения. В 1978 году в преддверии Олимпиады началась реставрация церкви при отсутствии проектно-технической документации. В ходе работ наружные поверхности стен лишились остатков лепного декора. В начале 1980-х специалисты московского института «Спецпроектреставрация» приступили к разработке проекта восстановления памятника, обследовали состояние стенописи. Но проект так и остался незавершенным. В 1995 году был разработан проект реставрации Николо-Зарецкой церкви, над которым работали тульский архитектор В. Клименко, владимирский архитектор В. Фомин, инженеры и ученые Тульского государственного университета, а также специалисты из Суздаля. Первоначальные чертежи и проект храма не сохранились, поэтому разработчики проекта реставрации использовали старинные фотографии и материалы, имевшиеся в Государственном архиве Тульской области. В 1996 году храм наспех отреставрировали к празднованию 850-летия первого упоминания Тулы в летописи и 340-летия со дня рождения Никиты Демидова. Результаты этой спешки и недостаточного финансирования проявились уже через год-два, когда со стен начала осыпаться штукатурка, цоколь местами обвалился, а с крыши слетали листы кровельного железа. В 1999 году в преддверии праздника Рождества Христова храм был передан Тульской епархии. Кровлю его починили на средства прихожан и благотворителей, но устранить до конца недочеты поспешной реставрации не удалось. 29 марта 2004 года на звонницу Николо-Зарецкой церкви подняли семь колоколов, изготовленных в Воронеже по технологии древнерусских мастеров. Также отреставрировали нижний храм с тремя алтарями. В 2006 году освящён алтарь во имя апостола Андрея Первозванного, в 2007 году алтарь во имя святых царственных страстотерпцев Николая, Александры, Ольги, Татианы, Марии, Анастасии и Алексия, в 2008 году главный алтарь во имя святителя Николая Чудотворца. Ведутся работы по благоустройству двух колонн, у подножия которых будут установлены напольные восьмигранные киоты. При храме действуют воскресная школа и библиотека. По воскресеньям проводятся духовные беседы со взрослыми. В 1996 году был открыт историко-мемориальный музей «Некрополь Демидовых», филиал объединения «ТОИАЛМ». Он расположен в одноэтажном бывшем жилом доме, построенном в конце 1920-х годов на территории церковного сада. Музей включает в себя вводный зал с экспозицией «Демидовы и Тульский край» и внутрицерковную родовую усыпальницу Демидовых в Николо-Зарецком храме. Это единственное сохранившееся в России внутрицерковное захоронение представителей первых поколений Демидовых.