В 1503 году великий князь Иоанн Васильевич получил в управление треть рязанских городов, включая Тулу. С этого момента Тула навсегда стала частью Московского княжества. Чтобы защитить путь к Москве от угрозы Крымской орды, Василий Иоанович в 1507 году приказал построить в Туле на левом берегу реки Упы дубовую крепость, оставив старое городище у речки Тулицы. Деревянный острог имел форму вытянутого полукруга и был оснащён немецкими и московскими пищалями и пушками. Его строительство завершилось в 1509 году, и он простоял 231 год. В 1514 году внутри дубовой крепости, по примеру московского кремля, Василий приказал возвести «каменный город», который был построен к 1520-1521 годам. Воскресенский летописный свод под 1509 годом упоминает о строительстве кремля: «Повелением великого князя Василия Иоановича поставлен город на Туле деревян, а на пятое лето поставлен град камен». В 1552 году город был осаждён войском крымского хана Девлет I Гирея, в то время как царь Иван Грозный с армией находился в походе на Казань. Гарнизон кремля и городское ополчение держали оборону до прибытия подкреплений из Коломны. В память об этих событиях в Тульском кремле был установлен закладной камень возле Ивановских ворот. Во второй половине XVI века вокруг каменного кремля появился посадский острог, деревянная крепость, площадь которой в десять раз превышала площадь каменного кремля. Эта территория тогда была границей Тулы. В 1605 году колокол известил жителей о прибытии Лжедмитрия I, и Тула на две недели стала псевдостолицей Русского государства. В кремль приезжали присягать на верность самозванцу бояре, дворяне, казаки и другие служивые люди. В 1607 году во время крестьянской войны в Туле нашёл убежище предводитель повстанцев Иван Болотников. В том же году в Тульском кремле войска царя Василия Шуйского осадили предводителей крестьянского движения, Ивана Болотникова и Илейку Муромца, выдававшего себя за «царевича Петра». Кремль выдержал долгую осаду, но был взят благодаря хитрости одного сына боярского, который предложил войску царя засыпать реку Упу мешками с землёй и создать плотину. Вода затопила кремль, и повстанцы капитулировали. В память об этих событиях в 1953 году в Тульском кремле был воздвигнут обелиск. Всё это время кремль служил домом для туляков. Согласно писцовым книгам, в конце XVII века в тульском кремле было 107 дворов и 197 жителей. Первая улица Тулы также находилась в кремле и называлась Большой Кремлёвской.

После воссоединения левобережной Украины с Россией в середине XVII века кремль утратил своё значение и в петровское время перестал числиться в реестрах крепостей. Ремонтные работы в кремле проводились в конце XVIII и XIX веков, в 1930-х годах от стен кремля убрали все ветхие строения, в 1950-х провели частичный ремонт, а в середине 1960-х началась комплексная научная реставрация для восстановления первоначального облика кремля. В 2012 году был создан благотворительный фонд «Тульский кремль», который насчитывает 1648 благотворителей, перечисливших средства на восстановление кремля. В том же году за счёт фонда провели дренаж от Одоевской башни до башни Водяных ворот. В 2013 году были проведены работы по реставрации и благоустройству торговых рядов, установлен новый шатёр Наугольной башни, восстановлены зубцы на стене между Никитской и Ивановской башнями. Также была проведена реставрация Успенского собора, его фасад стал серым, а купола покрыты позолотой. С 2012 по 2014 год в кремле была проведена масштабная реконструкция стен, а с территории убрали электростанцию, располагавшуюся там с начала XX века. В этот же период была реконструирована колокольня Успенского собора, разрушенная в 1930-е годы. В 2017 году бывшая подстанция была переоборудована в “Выставочный центр Тульского кремля”. Комплекс включает четыре выставочных зала: Музей военной истории Тульского края, Музей народного искусства Тульского края, Музей самоваров и тульского пряника и Музей истории Тульского кремля. Также в комплексе есть «свободный» зал для временных экспозиций, форумов, встреч и конференций. 10 ноября 2016 года Президент России подписал указ о праздновании в 2020 году 500-летия Тульского кремля. 8 сентября 2018 года открылась Казанская набережная, скрытая от жителей и гостей города более полувека. В апреле 2019 года в рамках Всероссийского форума «Кремли России и их роль в истории Российского государства» в Тульском кремле открылся музей археологии, стилизованный под археологические раскопки. Музей содержит артефакты, найденные при реконструкции кремля в 2012-2015 годах.