Губернский архитектор А. Дубровский предложил разработать проект перестройки старого Успенского кафедрального собора, что в Тульском кремле, в теплый. Однако, досконально изучив вопрос, он сделал вывод: при подобном переустройстве могут серьезно пострадать стенопись и иконы храма, приспособленные к определенному температурно-влажностному режиму.
В 1849 г. староста Успенского собора купец Вукол Кузовлев предложил возвести новый просторный и теплый собор в кремле. Идею поддержал городской голова Николай Добрынин и городское общество. Решено было возвести в кремле теплый собор во имя Богоявления Господня с двумя приделами: во имя Николая Чудотворца и Александра Невского.
Проект поручили разработать архитектору Тульского оружейного завода коллежскому асессору М. А. Михайлову. Проект утвердили только в 1855 г. и в этом же году состоялась закладка собора. Через семь лет, в 1862 г., в год 50-летия победы в Отечественной войне 1812 года, собор был освящен. Первоначальный архитектурный облик имел пятиглавие на массивном кубе.
В 1930 г. Богоявленский собор был закрыт. В здании бывшего собора разместился аэроклуб, а с 1950-х годов – клуб физкультурников. Четыре маленьких главы снесли, не уцелело и луковичное завершение центральной главы.
В 1966 г. Богоявленский собор не включили во вновь составленный перечень памятников истории и культуры, взятых на государственную охрану. Было принято решение разместить в бывшем соборе музей оружия. С 1972 по 1989 год проводилась реконструкция здания. Вход в музей сделали с востока, пробив алтарную стену и устроив кирпичную пристройку. Было установлено железобетонное монолитное перекрытие, после чего здание стало двухэтажным. В 1991 г. здание храма было поставлено на госохрану в качестве памятника истории и культуры регионального значения.
В 2012 г. большая часть экспозиции была перевезена в здание нового музея оружия в Заречье. В январе 2015 г. начались работы по реставрации здания собора, однако воссоздание прежнего пятиглавия в ближайшие годы не планируется.