В 1626 году в Кремле был построен деревянный собор, известный как Архангельский. Позже, в 70-80-х годах XVII века, на его месте возвели первый каменный Успенский собор с приделами во имя Архангела Гавриила и Тихона Амафунтского. Однако менее чем через столетие он обветшал и был разобран. Строительство нового собора началось 7 мая 1762 года с благословения епископа Коломенского и Каширского Порфирия, финансировалось оно тульским купечеством из «питейных сборов». На строительство и отделку собора было потрачено около 30 тысяч рублей. Главными строителями выступили купец Лукьян Коптельцев, Софрон Сиднев и Андрей Володимиров. Здание было завершено 8 мая 1764 года, но Лукьян Коптельцев к тому времени уже скончался, и его место занял бургомистр Тимофей Чечулин. Собор освятили в 1766 году, а через год освятили придел Иоанна Златоуста, который позже упразднили из-за тесноты, заменив его соборной ризницей. Успенский собор был холодным, неотапливаемым храмом, где службы проводились только с Пасхи до Покрова. 16 февраля 1930 года президиум Мособлисполкома закрыл собор, планируя разместить в его помещениях атеистический музей, который так и не был создан. В 1934 году некоторые иконы и облачения собора передали в Николочасовенскую церковь. В 1945 году Успенский собор был признан памятником союзного значения, а в 1960 году его здание взяли под государственную охрану. В 1961 году в соборе находился склад промтоваров. Реставрация началась в мае 1965 года после начала комплексной научно-исследовательской реставрации кремля. В 1968 и 1970 годах было принято решение о золочении пяти глав храма, заменена кровля и отремонтирован цоколь. В июле 1975 года начались работы по реставрации иконостаса и киотов. Состояние иконостаса было в целом удовлетворительным, но утраты резного декора составляли около 30 %. В 1982 и 1986 годах восстанавливали резьбу иконостаса из липы. Стенопись на западной стене пострадала от пожара 1950-х годов, а в 1960-е годы утратилась композиция Успения Богородицы из-за фейерверков. К середине 1980-х стенопись находилась в аварийном состоянии. В 1988 году московские художники под руководством В. Л. Лагутина начали реставрацию стенописи.

В сентябре 1991 года исполком Тульского областного Совета народных депутатов передал Успенский собор в безвозмездное пользование Тульскому епархиальному управлению для совместного использования с филиалом областного краеведческого музея. В 1990-х годах реставрация иконостаса не проводилась из-за отсутствия финансирования, а с 1996 года прекратилось финансирование реставрации стенописи. В 2001 году работы возобновили специалисты «Центрреставрации» из Москвы. В 2000 и 2001 годах реставратор А. Пятин восстановил часть резных обрамлений икон иконостаса. 8 сентября 2005 года впервые включили подсветку собора. В 2013 году в рамках реставрации Тульского кремля обновили и собор: купола позолотили, стены окрасили в серый цвет. Весной 2020 года началась реставрация внутреннего убранства храма и фресок XVIII века, которые начали разрушаться в 2006 году из-за сильных морозов и перепадов температуры. Также реставрируют иконостас высотой около 14 метров и шириной около 22 метров, а также проводят другие необходимые работы, завершение которых планируется на октябрь 2021 года.