Первое документальное упоминание о церкви содержится в "Строенной книге Тульского посада" за 1646 год, где упоминается "Вознесенский поп Борис".Предположительно, первоначальная церковь была деревянной и обслуживала местных кузнецов и слободских казенных крестьян.
В 1712 году, по благословению Антония, епископа Коломенского, на средства купца Андрея Фёдоровича Владимирова и других прихожан была построена каменная церковь. Однако к середине XVIII века здание обветшало, что побудило прихожан обратиться с просьбой о строительстве нового храма.
В 1754 году было принято решение о возведении новой двухэтажной каменной церкви. Строительство велось по проекту заводского механика капитана Козьмы Семёновича Сокольникова. К 1755 году нижний этаж храма был завершён и освящён во имя Введения во храм Пресвятой Богородицы. Верхний этаж, предназначенный для основного престола во имя Вознесения Господня, оставался недостроенным из-за недостатка средств. В 1774 году строящееся здание пострадало от пожара, что ещё более задержало завершение работ. Только в 1787 году верхний храм был окончательно достроен и освящён.
Архитектурно храм представляет собой сочетание элементов классицизма и барокко. Плоские фасады выполнены в стиле классицизма, тогда как световой барабан и купол отражают черты барокко. Здание украшено высокими пилястрами, объединяющими основной объём, гранёным куполом с изящным фонариком, овальными окнами второго света и декоративными элементами в виде растительного орнамента и изображений ангелов.
В 1824 году на первом этаже храма, на средства купца Ивана Ивановича Владимирова, был устроен придел во имя великомученицы Варвары. В 1834 году пожар уничтожил иконостас верхнего храма, созданный известным тульским иконописцем Григорием Ивановичем Белоусовым; новый иконостас был установлен только в 1844 году. В 1883 году при храме была открыта церковно-приходская школа.
