В XVII веке на месте нынешнего храма стояла церковь, известная как Николая на Площади, которая в 1723 году была передана Успенскому монастырю. К началу XIX века здание сильно обветшало, и в 1842 году на его месте по проекту В. Ф. Федосеева был возведен новый двухэтажный пятиглавый храм в честь Преображения Господня. Этот храм является ярким примером русского классицизма начала XIX века, а его фасады украшены дорическими колоннами.

Главный престол нижнего храма, посвященный иконе Пресвятой Богородицы «Утоли Моя Печали», был освящен в 1836 году. На первом этаже также находились два престола: во имя Архистратига Михаила и святой великомученицы Варвары. Главный престол новой церкви, посвященный Преображению Господню, располагался на втором этаже и был освящен в 1842 году. Южный придел верхнего храма посвятили Тихвинской иконе Пресвятой Богородицы, а северный, Николаю Чудотворцу, в память о прежнем храме. Приделы были освящены в 1843 году.

Северный и южный фасады храма украшены колоннадами из восьми дорических колонн. Между колоннами расположены большие окна, благодаря которым верхний храм хорошо освещался. Цокольный этаж, где находился нижний храм, имел полукруглые окна, обрамленные клиновидными камнями. При входе в храм располагался шатровый тамбур, более поздняя пристройка в русском стиле, которая не совсем гармонировала с классицистическим обликом Преображенской церкви.

С восточной стороны храма, вдоль северной стены монастырской ограды, над главными воротами находилась колокольня с семью колоколами. Она выходила на улицу Лопатинскую, ныне Менделеевскую, и располагалась между Преображенской церковью и кельями настоятельницы. Во втором ярусе колокольни находилась небольшая церковь Знамения Пресвятой Богородицы, в которую вел проход от келий настоятельницы. Колокольня, Преображенский храм, каменная ограда и башни по её углам составляли гармоничный архитектурный ансамбль.

Главной святыней Успенского монастыря, хранившейся в Преображенском храме, была икона Николая Чудотворца, известная как «Тульская». По преданию, в XVI веке один из днепровских казаков нашел в Туле на болоте икону святого Николая Чудотворца, построил в его честь храм «Никола на площади» и поместил туда найденную икону. Эта икона особенно почиталась казаками и воинами, считалось, что именно «Никола Тульский» помог защитникам города отразить нападение крымского хана Девлет Герая в 1552 году. После Октябрьской революции икона была утеряна.

В советские времена здание храма было сильно изменено, лишено четырех из пяти куполов и стало напоминать светскую постройку. Это впечатление усиливалось отсутствием алтарной апсиды в восточной части. Колокольню разрушили в начале 1920-х годов, а Преображенская церковь была передана оружейному заводу. Цокольный этаж использовали как склад, а верхний занимали учреждения Пролеткульта. Позже в здании разместилась коммунально-эксплуатационная часть, а с 1949 года, Тульский комитет ДОСФЛОТа и Морская школа. В 1960 году Преображенская церковь была взята под государственную охрану как памятник архитектуры XIX века.

В конце 1993 года храм передали Тульской православной классической гимназии. С 2001 по 2007 год в нем проводились реставрационные работы: обустроили два этажа и восстановили четыре утраченные главы. При храме действует воскресная школа и видеотека с православной тематикой.