В документах XVIII века эта церковь называлась Николаевской «что за земленым валом» или «что за земленым городом», иногда — «что в Пальцевой слободе» (по фамилии купцов Пальцовых).
В середине XIX века для отличия от других храмов во имя Николая Чудотворца, имевшихся в Туле, осталось уточнение «что за валом», хотя сам вал, проходивший примерно по нечетной стороне нынешней улицы Советской, прекратил свое существование в конце XVIII столетия. Это же название дошло до наших дней.
По некоторым данным, деревянный храм появился на этом месте в 1600 году. Возведение каменного двухэтажного здания началось в 1703 году. К 1705 году построили нижнюю церковь во имя Николая архиепископа Мирликийского Чудотворца, а к 1712 — верхнюю во имя Владимирской иконы Божией Матери. Храмовый образ Пресвятой Богородицы и другие образа иконостаса были списаны с икон Успенского собора Московского кремля и других древних московских икон. Верхний храм был холодный, а нижний теплый. Церковь после этого называли как Николозавальской, так и Владимирской.