История собора восходит к середине XVII века, когда на этом месте был основан Успенский женский монастырь. Первоначально здесь находился каменный храм, который к концу XVIII века обветшал и был разобран. В 1791–1792 годах на его месте была возведена новая каменная церковь с главным престолом в честь Успения Пресвятой Богородицы и приделами, посвященными иконе Божией Матери «Неопалимая Купина», равноапостольной Марии Магдалине, великомученику Пантелеимону и преподобному Александру Свирскому. К середине XIX века эта церковь также пришла в ветхость, и в 1857 году была расширена и частично перестроена по инициативе игумении Клавдии.
В 1898 году было принято решение о строительстве нового двухэтажного храма на месте старой церкви. Строительство осуществлялось под руководством тульского губернского архитектора Эвариста Владиславовича Скавронского и продолжалось до 1902 года. 24 октября 1902 года состоялось освящение нижнего храма во имя равноапостольной Марии Магдалины и великомученика Пантелеимона. Верхний храм с главным престолом в честь Успения Пресвятой Богородицы был освящен 28 июня 1904 года, а приделы в честь иконы Божией Матери «Неопалимая Купина» и преподобного Александра Свирского — соответственно 11 июля 1910 года и 3 июля 1911 года.
Архитектурно собор выполнен в псевдорусском стиле. Стены здания сложены из темно-красного кирпича, а черные купола увенчаны крестами и полумесяцами, за что в народе храм получил название «Черная церковь». Верхний храм украшен росписями, являющимися точными копиями работ Виктора Михайловича Васнецова в Киевском Владимирском соборе. Эти росписи были выполнены в 1909 году стараниями настоятельницы игумении Магдалины и при поддержке благотворителей.
После революции 1917 года Успенский женский монастырь был упразднен, а собор закрыт в 1918 году. В 1930-х годах предпринимались попытки разрушить здание, однако его прочность не позволила осуществить задуманное. Впоследствии с храма были сняты купола, и в его стенах разместился филиал государственного архива.
В конце 1980-х годов началась реконструкция здания: были восстановлены купола и укреплено основание собора. До 2005 года в здании продолжал располагаться Государственный архив Тульской области. 8 сентября 2006 года, в день празднования 860-летия Тулы, собор был официально передан Тульской епархии и получил статус кафедрального. 24 января 2007 года состоялось освящение престола нижнего храма в честь Собора Тульских святых, а 10 мая 2012 года — освящение верхнего храма в честь Успения Божией Матери, что ознаменовало завершение реставрационных работ.
