С середины 1880-х годов в Тульской губернии существовала Тульская Епархиальная палата древностей, основанная преподавателем Тульской духовной семинарии и историком-краеведом Николаем Ивановичем Троицким, который был действительным членом Московского археологического общества.

Новый музей был создан благодаря усилиям подотдела по делам музеев и охраны памятников искусства и старины при Тулгубнаробразе. Руководителем подотдела стал профессор Московского университета и автор работ по истории Тульского края А. П. Рудаков. Среди сотрудников отдела были Н. И. Троицкий и П. Д. Покаржевский, который занимал должность хранителя.

Музей получил название Тульский художественно-исторический, а его основанием считается день открытия первой художественно-исторической выставки 18 мая 1919 года в Доме им. К. Маркса, ранее известном как дом им. Александра II, который сейчас является филиалом «Тульские самовары». На выставке были представлены исторические и художественные предметы из дворянских усадеб Алексинского, Белёвского и Епифанского уездов, из различных учреждений Тулы, а также из имений графа Бобринского в Богородицке и графа Гагарина в Епифанском и Крапивенском уездах. Среди экспонатов были предметы палеонтологии, археологии, этнографии, живописи, гравюры, литографии, фарфор и фаянс, бисер, мебель, оружие, мрамор и бронза из частных коллекций, а также работы таких художников, как И. К. Айвазовский, Н. С. Самокиш, П. Р. Ковалевский, В. А. Тропинин, Л. Ф. Лагорио, Ю. Ю. Клевер и Н. Е. Рачков.

Постоянная экспозиция музея открылась в мае 1920 года, и вход в него был бесплатным. До 1927 года сотрудники не только изучили и описали коллекцию, но и опубликовали материалы краеведческого характера, а также собрали множество новых экспонатов, включая живопись К. П. Брюллова, Ф. Х. Гау, Г. Г. Мясоедова, К. А. Коровина, П. П. Кончаловского, саксонский фарфор, английский фаянс Веджвуда и фарфор русских фабрик.

Во время Великой Отечественной войны экспозиции музея были свёрнуты, а наиболее ценные предметы эвакуированы в Курган. В музее была организована художественная выставка «Героическая оборона Тулы». Музей вновь открылся для посетителей в феврале 1947 года. В послевоенные годы коллекция активно пополнялась, и к 50-летию Великой Октябрьской социалистической революции были открыты новые экспозиции. На тот момент в музее было три основных отдела: природы, истории досоветского периода и истории советского общества.

20 декабря 2013 года Тульский областной краеведческий музей вновь открылся после масштабных ремонтно-реставрационных работ. Его визитной карточкой стала скульптура В. Я. Меньшова «Куликовская битва». В конце 2013 года на втором этаже музея были открыты новые экспозиции «Першинская охота» и «Воинская слава туляков», которая занимает два зала. В первом зале представлены четыре исторических события, начиная от наконечников копий и створки креста-энколпиона с Куликовского поля до пистолета с ударно-кремнёвым замком Тульского оружейного завода 1813 года, а также награды туляков-участников боя крейсера «Варяг» и документы и награды руководителя обороны Тулы, члена военного совета 50-й армии В. Г. Жаворонкова.