Храм был возведён в 1905 году на средства купцов братьев Александра, Николая и Сергея Стефановичей Ермолаевых-Зверевых и освящён 5 февраля 1906 года. Позже они также профинансировали строительство приюта для стариков и детей при храме. Каждый из братьев пожертвовал по 8 тысяч рублей на храм, по 22 тысячи на детский приют и по 6 тысяч на убежище для неизлечимо больных. Ежегодно они выделяли по 160 рублей на содержание церковного причта. В приюте действовали переплетная мастерская и типография, где обучались не только 20 воспитанников, но и приходящие подростки. Позже была открыта кузнечно-слесарная школа. Братья также передали ещё одно усадебное место для проживания бедных вдов с детьми. В документах того времени этот комплекс назывался «Серафимовским благотворительным домом». Иконостас храма во имя Серафима Саровского был сосновым, в три яруса, с позолоченной резьбой, а царские врата также были позолочены. К храму была приписана часовня во имя Феодосия Черниговского, освящённая в сентябре 1899 года, которая находилась в Новых торговых рядах. Сегодня в здании на улице Советской размещаются военная комендатура и прокуратура. Часовню построили на средства купцов, торговавших в этих рядах.

В начале 1920-х годов «Богадельня святого Серафима», так назвали благотворительное учреждение советские власти, была закрыта, как и церковь Серафима Саровского. В зданиях приютов и убежищ поселились семьи рабочих. Купол церкви и верхние ярусы колокольни были снесены. В 1976 году здание передали архивному отделу Тульского облисполкома. В 1991 году храм был признан памятником истории и культуры регионального значения.

В августе 2002 года архивные документы вывезли, и храм Серафима Саровского вернули Тульской епархии. 4 октября 2002 года епископ Тульский и Белевский Кирилл провёл в нём первую литургию. В январе 2004 года в храме устроили придел во имя преподобного Серафима Вырицкого, в миру Василия Николаевича Муравьева. Здесь также хранятся частицы мощей Серафима Саровского, его рубища и мощей дивеевских святых Марфы и Александры.

В храме находятся поясная икона преподобного Серафима Саровского с частицей мощей и его ростовая икона с частицей рубища. Среди святынь также икона преподобных жен Дивеевских Александры, Марфы и Елены с частицами мощей, икона прославленных монахинь Дивеевского монастыря Параскевы, Пелагеи и Марии.

В 2006 и 2007 годах был установлен купольный барабан храма с луковичной главой, украшенный барельефами преподобного Серафима и святых жен Дивеевских. Как пояснил настоятель храма протоиерей Сергий Мосягин, барабан проектировался без использования старинных фотографий церкви, так как их ещё не удалось обнаружить. В 2008 году была восстановлена колокольня. При храме открыт православный духовный центр, где проходят беседы со священником, показывают фильмы, устраивают чаепития и работает библиотека.