Церковь, посвященная святым мученикам Флору и Лавру, упоминается еще в начале XVII века. Первоначально она была деревянной и имела придел в честь святых Косьмы и Дамиана. Храм находился в слободе, названной в его честь Флоровской, одной из старейших в Туле, расположенной за Никольскими воротами Земляного города. Эти ворота находились примерно там, где сейчас улица Металлистов пересекается с улицей Советской. К 1710 году церковь уже была каменной, а в 1748 году на средства прихожан был построен каменный придел Косьмы и Дамиана. Примерно в то же время появился придел в честь иконы Божией Матери «Знамение». К началу 1770-х годов церковь обветшала, и было решено построить новое здание в честь Боголюбской Пресвятой Богородицы с приделами Флора и Лавра справа и Косьмы и Дамиана слева. Сначала были построены и освящены приделы в 1779 году, а главный престол с иконостасом был завершен к 1796 году. С этого времени церковь официально называлась Боголюбской, но в народе сохранилось название Флора и Лавра.

Архитектура церкви сочетает элементы барокко и классицизма. Трапезная была построена с элементами барокко, такими как закругленные углы и мансардная крыша, в то время как само здание церкви имеет строгие колонные портики и гладкий барабан, характерные для классицизма. Однако в архитектуре сохранились и барочные детали, такие как граненый купол и декоративные люкарны. Внутреннее пространство церкви уникально тем, что не имеет несущих колонн, а вся нагрузка передается на своды. Архитектором основного объема храма считается К.С. Сокольников, хотя по мнению некоторых исследователей, он участвовал в строительстве колокольни. До XIX века при церкви оставалась старая колокольня, но в 1806 году было подано прошение о строительстве новой, завершенной к 1830 году. В 1834 году был приобретен самый большой колокол весом 519 пудов, средства на который пожертвовал купец Поддельщиков.

Главной святыней храма была Боголюбская икона Божией Матери, известная своими чудотворениями, особенно во время эпидемий. В 1892 и 1893 годах, опасаясь холеры, туляки заменили серебряную ризу иконы на золотую с бриллиантами, изготовленную в 1894 году. В храме также находился старинный ореховый шкаф для хранения книг и утвари, по преданию привезенный из Голландии купцами Лугиниными. Святые Флор и Лавр считались покровителями коневодства, поэтому в день их памяти к храму съезжались освящать лошадей. В 1894 году при храме открылась церковно-приходская школа.

В справочнике 1925 года церковь Флора и Лавра отнесена к петербургскому барокко. В 1929 году было принято решение о сносе церкви, но она была спасена благодаря признанию ее памятником архитектуры XVIII века. В 1930-х годах храм был закрыт и передан оружейному заводу, где размещались столовая и склады. К началу 1970-х годов здание было в запустении, но в середине 1970-х годов проведена его консервация. В 1991 году церковь была поставлена на госохрану как памятник истории и культуры.

В 1990 году храм был возвращен Тульской епархии. Он находился в плачевном состоянии: без отопления и освещения, с выломанными окнами и забетонированным полом. Пришлось вручную разбивать бетон и выносить его. К декабрю 1991 года были проведены работы по отоплению, кровле и отделке, а также построена новая паперть. Сегодня при храме работают библиотека и воскресная школа.