Строительство храма было обусловлено необходимостью создания нового кладбища за пределами городской черты в связи с эпидемией чумы 1771 года и соответствующим указом Правительствующего Сената от 17 ноября того же года.В 1772 году в Туле были отведены места для двух кладбищ: на Посадской и Оружейной сторонах.На Посадском кладбище в 1773 году была возведена деревянная церковь во имя Всех Святых.
В марте 1773 года, по прошению жителей Тулы, была выдана благословенная грамота на строительство каменной церкви во имя Второго Пришествия Христова с приделами во имя Воскрешения Лазаря и во имя Всех Святых. Строительство храма началось под руководством купца Герасима Стефановича Сушкина, однако после его смерти в 1774 году работы продолжил его зять, купец первой гильдии Иван Афанасьевич Герасимов. В 1776 году одноэтажная церковь была завершена и освящена.
В 1788 году душеприказчики тульского купца Никифора Трофимовича Девяткина получили разрешение на строительство второго этажа храма во имя Преображения Господня. К 1790 году работы были практически завершены, однако 8 августа того же года произошел обвал одного из пяти куполов, который проломил своды верхнего и нижнего храмов, приведя к гибели трех человек. После этого инцидента службы в нижнем храме были приостановлены на пять лет. Строительство верхнего храма было завершено в 1797 году, а его освящение состоялось в 1825 году.
Архитектурный стиль храма представляет собой переход от барокко к классицизму. Первый этаж украшен энергичной рустовкой, а верхние этажи объединены четырехколонными портиками с треугольными фронтонами. Влияние барокко проявляется в усложненности плана и богатой пластике фасадов, тогда как элементы классицизма выражены в строгих формах и пропорциях.
В 1833 году началось строительство трехъярусной колокольни по проекту архитектора Василия Федосеевича Федосеева, завершенное в 1859 году. Колокольня гармонично сочетается с основным зданием храма, несмотря на значительный временной разрыв между их постройкой. В 1867 году на углах первого яруса колокольни были установлены четыре фигуры трубящих ангелов, заказанные церковным старостой купцом Пирожниковым.
В 1863 году в правой стороне верхней церкви был освящен престол во имя Воскресения Христова. В 1900 году при храме был образован комитет под председательством Воронцова-Вельяминова, целью которого было строительство каменной ограды вокруг Всехсвятского кладбища. К 1906 году ограда была полностью возведена.
С 1923 по 1944 год храм находился в ведении обновленческой Тульской епархии. После закрытия Успенского кафедрального собора в Тульском кремле в феврале 1930 года Всехсвятский храм стал кафедральным собором обновленцев. В январе 1944 года последний обновленческий архиепископ Тульский Петр Турбин принес покаяние и был принят в Московский патриархат в сане протоиерея. Вскоре после этого храм стал кафедральным собором Тульской и Белевской епархии.
В 1955–1960 годах стены храма были заново расписаны московскими художниками Павлом Александровичем Гладковым и Виктором Михайловичем Голубевым. Росписи выполнены на библейские и евангельские темы, с использованием лучших образцов русской иконописи.
