Церковный приход был основан в XVII веке, и в это же время впервые упоминается Вознесенская церковь в книге Тульского посада 1646 года. В 1712 году купец Андрей Федоров Владимиров профинансировал строительство каменной церкви. Однако в ней отсутствовал придел для утренней литургии, и прихожане обратились к епископу с просьбой о его строительстве. Разрешение было получено, но из-за ветхости церкви пристройка не состоялась.

В 1754 году было принято решение разобрать старую церковь и возвести новый двухэтажный храм. Строительство длилось более тридцати лет. В 1755 году был завершён и освящён первый этаж. Из-за нехватки средств верхний этаж оставался недостроенным. В 1767 году прихожане начали сбор средств для завершения строительства. В 1779 году здание пострадало от пожара. Длительное строительство, вероятно, объясняет несоответствие плоскостных фасадов в стиле классицизма и барочных форм светового барабана. В 1787 году храм был окончательно достроен и освящён 2 октября. Рядом возвели колокольню с шестью колоколами.

Храм имел одну позолоченную главу, крыша была покрыта белым листовым железом, иконостас был позолоченным, а иконы написаны мастером Григорием Ивановичем Белоусовым. В 1824 году на первом этаже был устроен придел Святой Варвары благодаря купцу Ивану Ивановичу Владимирову. В 1883 году при храме открылась церковноприходская школа. В 1834 году пожар уничтожил иконостас на втором этаже, и новый появился только в 1844 году.

К святыням храма относились икона Скорбящей Божией Матери, копия чудесно явленной иконы из Санкт-Петербурга 1888 года, икона великомученицы Варвары и часть мощей великомученика Пантелеймона.

В начале 1930-х годов храм был закрыт, а колокольня снесена. Церковь Вознесения признана памятником истории и культуры федерального значения и взята под охрану государства в 1960 году по постановлению Совета Министров РСФСР. В 1961 году в здании бывшего храма разместилась мастерская «Союзшахтоосушения». В 1992 году Вознесенскую церковь вернули Тульской епархии. При храме функционируют приходская школа и библиотека. С 20 марта 2008 года по решению Епархиального совета храм получил статус миссионерского.