Впервые, как деревянный храм, Ильинская церковь упоминается в писцовых книгах 1627—1628 годов. В нём находились пределы в честь Святых Бориса и Глеба и великомученицы Екатерины. В 1739 началось строительство нового каменного храма. Строительство финансировали купцы Яков Лисицын и Харитон Антонов Пастухов.
С 1884 по 1917 годы в приходе храма работало церковно-приходское училище. В конце XIX века внешний фасад храма был изменен и приобрел черты псевдорусского стиля.
С 1924 по 1943 год храм был кафедральным собором Тулы. Во время Великой Отечественной войны в храме был столярный цех, в конце 1980-х там располагалась швейная мастерская, а в начале 1990-х годов — Центральное конструкторское бюро.
1 марта 2006 году храм возвращён верующим, а 2 августа там состоялась первая служба, которую провёл архиепископ Тульский и Белевский Алексий. Сейчас в храме ведутся восстановительные работы.