Первоначально в Кремле в 1626 был построен деревянный собор, который назывался Архангельский. Первый каменный Успенский собор с приделами во имя Архангела Гавриила и Тихона Амафунтского был возведен в 70-80-е годы XVII века. Менее чем через сто лет он обветшал и его разобрали. Строительство нового собора началось 7 мая 1762 года по благословению епископа Коломенского и Каширского Порфирия, на средства тульского купечества «из питейных сборов приборными деньгами». На постройку собора и его отделку было израсходовано около 30 тысяч рублей. Главным строителем храма был купец Лукьян Коптельцев с Софроном Сидневым и Андреем Володимировым. Здание возвели за два года к 8 мая 1764 года. В это время Лукьян Коптельцев умер, и на его место был определен бургомистр Тимофей Чечулин. Собор освятили в 1766 году, а через год был освящен устроенный в нём с правой стороны придел Иоанна Златоуста. Но после перенесения архиерейской кафедры в Тулу придел этот упразднили из-за тесноты, а на его месте обустроили соборную ризницу. Успенский собор являлся холодным, неотапливаемым храмом, и богослужения в нём проводились только в период от Пасхи до Покрова.