Первое упоминание об Ильинской церкви, тогда еще деревянной, встречается в писцовых книгах 1627 года. В период с 1739 по 1755 год год на месте деревянной церкви был построен каменный храм. Время построения колокольни неизвестно.

После революции, когда многие храмы стали закрывать, с 1933 по 1935 год Ильинский храм стал на два года кафедральным собором.

На Тульской кафедре в то время был епископ Тульский Онисим (в миру Пылаев Михаил Владимирович, 1876 — 1938). Интересно, что хотя отец Онисим в 1896 году окончил Новгородскую духовную семинарию, но в Гражданскую войну служил в Красной армии сначала письмоводителем, затем казначеем. Будучи епископом, помогал многим ссыльным и арестованным священнослужителям, оказывал им посильную помощь посылками, письмами. В результате в 1935 году был арестован, затем расстрелян. На заседании Священного Синода 17 июля 2001 года было принято решение включить его имя в Собор новомучеников и исповедников Российских XX века.

Включён в Собор Тульских святых

А в 1937 году был закрыт Ильинский храм. Во время Великой Отечественной войны в храме был столярный цех, затем гальванический, в конце 1980-х там располагались производственные помещения швейной фабрики "Чайка". В начале 1990-х годов в бывшем храме находились подразделения Центрального конструкторского бюро приборостроения, разрабатывавшего и выпускавшего медицинские приборы, приборы для геологоразведки, терморегуляторы для выращивания овощей на балконах, игрушки.

1 марта 2006 году храм возвращён верующим, а 2 августа там уже состоялась первая служба.

Строения, появившиеся на территории храма после его закрытия, демонтированы, а на их месте появилась часовня.