После указа Екатерины II о запрете захоронений в черте города, тульские власти выделили участок на юге Тулы для нового кладбища. Первоначально кладбищенская церковь была деревянной. В марте 1773 года, по просьбе жителей, была выдана грамота на строительство каменной церкви во имя Второго Пришествия Христова с приделами Воскрешения Лазаря и Всех Святых. Купец Герасим Стефанович Сушкин начал строительство, но умер в 1774 году и был похоронен в алтарной части храма. Работы продолжил его зять, купец Иван Афанасьевич Герасимов, и в 1776 году церковь была построена и освящена. Иконы для неё создал тульский иконописец Григорий Иванович Белоусов. В 1788 году душеприказчики купца Никифора Трофимовича Девяткина получили разрешение на строительство «верхней церкви» на завещанные им средства. Второй этаж был построен за два года, но 8 августа 1790 года, после литургии, обрушился один из куполов, повредив своды обоих храмов и унеся жизни трёх человек. Губернский архитектор Никифор Сокольников запретил службы в нижней церкви, которые возобновились только через пять лет. Завершение строительства верхнего храма произошло в 1797 году, а освящение, в 1825 году. Существует мнение, что проект нового пятиглавия разработал архитектор Козьма Сокольников. В 1863 году в верхней церкви освятили престол во имя Воскресения Христова. На протяжении сорока лет церковь управляла часовней на Хлебной площади, которая находилась на месте нынешнего Центрального рынка. Часовня была каменной, с пятью главами и позолоченными крестами. Всесвятской называлась часть современной улицы Л. Толстого. С 1923 по 1944 год храм принадлежал обновленческой Тульской епархии. После закрытия Успенского собора в 1930 году он стал кафедральным собором обновленцев. Последний обновленческий архиепископ Пётр Турбин в 1944 году присоединился к Московскому патриархату. Вскоре церковь стала кафедральным собором Тульской и Белевской епархии. В 1944 году архиепископом стал Виталий Введенский. В 1955 и 1960 годах стены храма расписали московские художники Павел Гладков и Виктор Голубев. В 1960 году собор и колокольня были признаны памятниками истории и культуры. В 1978 году началась реконструкция колокольни, завершённая в декабре того же года. В 1979 году был установлен лифт и завершены внутренние работы. Представительский зал расписал художник Борис Мухин. Работами руководил протоиерей Лев Махно. В 1988 году собор стал центром празднования 1000-летия крещения Руси. В декабре 2003 года впервые включили подсветку колокольни.