Первое известие о существовании Вознесенской церкви в Туле относится ко времени около 1646 года.

В строенной книге Тульского посада упоминается о Вознесенском попе Борисе. Есть и еще один несомненный памятник существования этой церкви в 17 столетии - найденный в ней холщовый антиминс священнодействованный в 1680 годы Никитою, епископом Коломенским, при Иоанне и Петре Алексеевичах и Патриархе Иоакиме. В 1712 году церковь была построена каменным зданием тщанием и радением прихожанина Андрея Федорова Владимирова с прочими прихожанами, и до 1744 года была в благополучной твердыни, украшенная всяким церковным благолепием. Только в ней не обустроили ещё придела, в котором можно было бы служить раннюю литургию, и прихожане нашли нужным просить о храмозданной грамоте на построение придела во имя Введения Пресвятой Богородицы.

Получивши грамоту на построение придела, прихожане не могли однако устроить его по выявившейся ветхости всей церкви. В 1754 году они донесли Преосв. Гавриилу, что их церковь стенами, сводами и кровлею находится в большой ветхости, так что служение совершается в ней с великим опасением, и начатый каменным строением придел не может быть окончен с пользою для целой церкви. Вот почему прихожане предположили сломать всю церковь с застроенным приделом и вновь устроить её каменным зданием о двух этажах: верхнюю во имя Вознесения Господня, а нижнюю во имя Введения Пресв. Богородицы, на что и получили храмозданную грамоту 1754 г. 12 сентября.

В грамоте, хранящейся в церкви, значится: "Понеже по прошению прихожан позволено им означенную церковь Божию за ветхостию ея и при ней застроенный придел во имя Введения Пресв. Богородицы каменного здания разобрать... а ныне они усмотрели, что в церковном погосте непространство и весьма утеснение и затем желают они оную церковь построить о двух апартаментах, нижнюю во имя Введения Пресв. Богородицы, а верхнюю Вознесения Господня, каменного здания... мы слушав того прошения, благословили построить им просителям показанную церковь Божию о двух апартаментах на том же месте".

Между тем, до времени окончательного построения церкви прихожане испросили у того же Преосвященного отправлять вечерню, утреню и часы в каменной мужской богадельне. В 1755г. нижняя церковь была уже построена, украшена всеми необходимыми принадлежностями церковными и на новом антиминсе освящена, по благословению вышеозначенного епископа протоиереем Василием Ивановым. Верхняя же церковь во имя Вознесения Господня долго после того оставалась недостроенной за недостатком средств для продолжения постройки.

В 1767 году был предпринят сбор пожертвований на сей предмет от доброхотных дателей по подписке. Уже к 1787 году церковь была окончательно устроена и также на новом антиминсе, по распоряжению Московской конторы Св. Синода, освящена Коломенским прот. Григорием Ивановым 2 октября. В описи говорится, что Вознесенская церковь внутри имела всё должное благолепие и снаружи была отделана в возможном совершенстве, глава на ней была позлащенная, вся церковь покрыта белым листовым железом, весь иконостас позлащен и украшен иконами, из коих некоторые имели серебряные позлащенные венцы, и все писаны тульским купцом Григорием Ивановым Белоусовым, известным иконописцем того времени.

В 1834 году весь иконостас верхней церкви с белоусовскими иконами сгорел и вновь устроен только через 10 лет. Иконостас же в нижней церкви был вновь устроен и позлащен тщанием купца Петра Иванова Владимирова. Колокольня построена в одно время с церковью, по описи при деле 1787 года на ней было 6 колоколов.

К наиболее чтимым святыням храма относились икона Скорбящей Божией Матери (точная копия с чудесно явленной иконы в Санкт-Петербурге в 1888 году), икона великомученицы Варвары и часть мощей великомученика Пантелеймона.

В начале 1930-х годов храм был закрыт, колокольня впоследствии снесена. В 1961 году в бывшей церкви находилась мастерская «Союзшахтоосушения».

Церковь Вознесения является памятником истории и культуры федерального значения. Здание поставлено на госохрану и в 1992 году возвращено Тульской епархии.