Деревянная церковь, посвященная святым апостолам Петру и Павлу, упоминается в «Писцовой книге Тульского посада 1624-го и 1685-го годов», изданной И. П. Сахаровым. По рассказам местных жителей, записанным в XIX веке Н. Ф. Андреевым, изначально здесь стояла Петровская часовня на одноименной улице. Она была названа в честь иконы Петра и Павла, находившейся внутри. К 1734 году церковь сильно обветшала и была разобрана. Через два года на её месте построили новый каменный храм, который в 1802 году перестроили, добавив два придела и колокольню.

В первой половине XIX века было принято решение о перестройке храма под руководством архитектора В. Ф. Федосеева. В 1833 и 1838 годах вместо обычного купола появилась ротонда в стиле ампир с двенадцатью окнами. Однако через год в стенах и сводах появились трещины, и работы приостановили на год. Комиссия установила, что причиной была слабость фундамента. Разрешение на продолжение строительства было дано с условием замены каменного купола на деревянный. Осенью 1836 года храм был завершен, но внутренняя отделка продолжалась почти 12 лет. В справочнике 1925 года стиль церкви охарактеризован как «московский николаевский классицизм». Искусствовед А. А. Кипарисова в 1948 году предположила, что церковь построил один из братьев Бове, но архивы, найденные В. Н. Уклеиным, подтверждают авторство В. Ф. Федосеева.

В храме находились иконы Казанской и Тихвинской Божией Матери, позже перенесенные в Всехсвятский кафедральный собор. В 1891 году при храме открыли приходскую школу. Также существовала богадельня на шесть человек, построенная на средства С. Т. Красноглазова. В 1912-1913 годах по проекту С. М. Серебровского колокольня была надстроена, и на ней установили часы.

В 1922 году из храма изъяли ценности для помощи голодающим Поволжья. В 1930-х годах храм закрыли. В 1941 году, во время бомбежек, верхняя часть храма была разрушена. В 1947 году храм включили в список охраняемых объектов архитектуры. В 1978 году колокольню восстановили, но её завершение напоминало мусульманский минарет. В дальнейшем в здании размещался аптечный склад. В 1991 году храм был признан памятником истории и культуры.

В 2011 году церковь передали Тульской епархии, началось её восстановление. 12 июля 2011 года прошло торжественное открытие, а 4 октября 2012 года на храм установили новый купольный крест, освященный 31 декабря 2015 года. Неудачное завершение колокольни демонтировали, и началась разборка её верхних ярусов для восстановления в первоначальном виде. В 2018 году работы завершились, и на колокольне вновь появились часы.