Храм в честь Воздвижения Креста Господня возник на одном из самых древних мест Коломенского кремля, у Пятницких ворот. В XV веке в Воздвиженском деревянном храме имелся придел во имя мучеников Флора и Лавра.
В 1764 году на месте деревянной постройки была воздвигнута каменная двухъярусная церковь с колокольней. Храмоздателем стал Коломенский епископ Гавриил Кременецкий. В верхней церкви утвердили древний престол во имя святителя Николая, перенесенный из упраздненного храма Николы Зарайского 1513 года. Вместе с ним сюда перешел и храмовый образ, список с зарайской иконы, сделанный в том же году.
В конце XVIII века Крестовоздвиженская церковь поновлялась иждивением коломенского купца И.Т.Мещанинова. С 1790 года до 1825 года здесь временно хранилась чтимая Донская икона Божией Матери с Пятницких ворот XVI века. В 1832—1837 годах церковь кардинально перестроили на средства сестер Шараповых.
Храм не имел своего прихода и был приписным к Успенскому собору, богослужения в нем совершали соборные клирики. В 1920-е годы в церкви образовался свой приход, в котором служили монахи, изгнанные из Троицкого Ново-Голутвина монастыря. Крестовоздвиженский храм закрыли в кремле последним. В 1930-е годы монахи были арестованы, судьбы их неизвестны.
В здании разместилась артель инвалидов. Почти все собрание церковных предметов утрачено. Главки и ярус звона уничтожены. В 1980-е годы помещение использовалось как мастерская и склад Коломенского краеведческого музея.
В 1994 году храм возвращен православной общине. Создан новый двухъярусный иконостас. В церковь переданы старинные иконы. В общине окормляются многие профессиональные художники. В приходе активно развивается паломническая деятельность.