В 1730 году на месте обветшавшего деревянного храма был возведен каменный, строительство которого финансировал тульский купец Иродион Чечулин. Новый храм имел придел во имя Трех Вселенских Святителей, каменную колокольню, тесовую кровлю и каменные главы, обитые зеленой черепицей с позолоченными крестами. Однако к 1789 году здание пришло в негодность: своды и стены дали трещины, что побудило прихожан обратиться к епископу Коломенскому и Тульскому Афанасию с просьбой о разрешении на строительство нового храма на другом месте.
Для строительства нового храма было выбрано место на площади оружейного арсенала. С 1789 по 1808 год на этом участке возвели новый храм в честь Рождества Пресвятой Богородицы с приделами Трех Святителей и иконы Божией Матери «Всех Скорбящих Радость». Строительство осуществлялось на пожертвования прихожан, которые вносили средства как деньгами, так и строительными материалами. Проект храма разработал архитектор Козьма Семенович Сокольников, служащий Тульского оружейного завода и прихожанин этого храма.
Архитектурно храм выполнен в стиле раннего классицизма. Фасады украшены четырёхколонными портиками, полукруглыми окнами и минимальным декором в виде классического растительного орнамента. Особенностью храма является то, что его купол опирается непосредственно на основной объём без привычного большого светового барабана, что редко встречается в культовом зодчестве того времени. Одновременно с храмом была построена трёхъярусная колокольня, на которой размещалось шесть колоколов, самый большой из которых весил 210 пудов.
В 1789 году, при строительстве храма, в земле была найдена медная икона «Знамение Пресвятой Богородицы», которая стала особо почитаемой святыней прихода. В начале XX века при храме действовали каменная богадельня на 16 человек и церковно-приходская школа, открытая в 1880 году. В 1893 году на средства митрополита Московского Сергия была открыта ещё одна школа на 80 учеников. В 1897 году вокруг храма была установлена железная ограда на 55 чугунных столбах. В 1912 году прихожанин Евгений Иванович Ветров пожертвовал значительные средства на золочение иконостаса, обновление живописи и другие работы по благоукрашению храма.
