Существует легенда, которая относит создание первоначальной Тихвинской церкви ко времени «чудесного перемещения греческой иконы из Царьграда в Тихвин» (1383 год). Однако донёсший до нас это предание известный коломенский писатель-краевед XIX века Николай Иванчин-Писарев сомневался в столь глубокой древности и перемещал основание храма ко времени более позднему – 1546 году. Однако, судя по писцовым книгам 1577–78 годов, церкви такого посвящения в Коломне в то время не было.

Впервые престол Тихвинской иконы отмечается в справке коломенского городничего майора Дурново: «…при Успенском соборе тёплая соборная церковь во имя Пресвятыя Богородицы Тихвинская каменного здания построена в прошлом 1776 году коштом коломенского купца и содержателя суконной фабрики Ивана Тимофеева сына Мещанинова…»

По преданию, храм был возведён на месте древнего деревянного. Первая каменная церковь имела небольшие размеры, один престол и примыкала с востока к соборной шатровой колокольне XVII века.

В таком виде она не просуществовала и ста лет. Староста Успенского собора купец Филипп Тупицын решил перестроить Тихвинскую церковь, значительно её расширив. Проект реконструкции переделывался трижды и был утверждён 24 января 1858 года. Он получил благословение митрополита Московского и Коломенского Филарета.

Здание церкви было возведено после полной разборки предыдущего строения. Строительство тёплого пятиглавого собора завершили в 1860 году. Вместо одного придела он имел уже три: Тихвинской иконы Божией Матери, праведного Симеона Богоприимца и Анны Пророчицы и иконы Божией Матери «Утоли моя печали». Новый храм был освящён в 1861 году самим святым Филаретом.

Вскоре после революции из храма был изъят отопительный котёл, но богослужения продолжали совершаться даже зимой. В конце 20-х годов ХХ века церковь была закрыта, уничтожено всё её внутреннее убранство, снесены главы. В таком виде её и возвратили общине Успенского собора в 1989 году.

Полное восстановление храма заняло 20 лет: было воссоздано пять куполов, устроены иконостасы, росписи на стенах и сводах. А 9 июля 2009 года Тихвинский храм был освящён Высокопреосвященнейшим Митрополитом Крутицким и Коломенским Ювеналием.