Строительство храма осуществлялось на средства самого митрополита Сергия и было связано с созданием приюта для мальчиков-сирот оружейной стороны.
Автором проекта храма выступил архитектор Александр Афанасьевич Латков. Строительными работами руководил протоиерей Михаил Александрович Рождественский, который после завершения строительства стал первым настоятелем храма. Здание храма выполнено из красного кирпича в псевдовизантийском стиле, характеризующемся одноглавой композицией, ступенчатым построением основного объема, полосатой кладкой стен и двух- или трехчастными окнами с полукруглыми «козырьками».
Внутренние росписи храма были завершены в 1901 году мастером Н. Сафоновым. Рядом с храмом была возведена высокая колокольня, которая долгое время являлась одной из самых высоких точек в Заречье. На шестом этаже колокольни располагалась обширная библиотека, служившая местом для духовных бесед со священником.
Первоначально храм не имел прихода и в документах значился как «церковь при учреждениях митрополита Сергия». В 1918 году храм был закрыт, затем вновь открыт по просьбе верующих, но уже как приходская церковь. Приют, богадельня и лечебница, носившие имя митрополита Сергия, были упразднены. Окончательно храм был закрыт в 1930 году, а колокольня разрушена в 1937 году. В последующие годы здание храма использовалось под склады и другие хозяйственные нужды.
15 августа 1991 года здание храма было возвращено Тульской епархии. 21 сентября того же года был отслужен первый молебен, а 8 октября, в день памяти преподобного Сергия Радонежского, совершена первая после долгих лет Божественная литургия. С этого времени богослужения в храме совершаются ежедневно. В ходе восстановительных работ были установлены новый крест на главный купол, восстановлены росписи храма, возведена новая колокольня, построены водосвятная часовня и звонница, а также устроен нижний храм-крещальня.
