Расположен на территории Зарецкого кладбища, является одной из градостроительных доминант исторического центра города. Церковь во имя Воздвижения Честного и Животворящего Креста Господня была заложена на месте разобранной из-за ветхости в 1847 году одноименной деревянной церкви. Средства на постройку храма были выделены купцами Марком Пименовым, Евдокимом Пименовым и другими благотворителями. В 1852 году состоялось освящение церкви. К 1868 году на средства петрозаводского купца Петра Васильевича Аврамова к храму был пристроен второй придел, а также два помещения для хранения архива и ризного имущества. Е.Г. Пименов и П.В. Аврамов похоронены на Зарецком кладбище. В послереволюционное время в храме продолжали проводить службы. С 1930 года церковь выполняла роль главного православного храма Карелии. С 1990 года до 2000 года Крестовоздвиженская церковь была епархиальным кафедральным собором.
Собор представляет собой крестообразный в плане объем в форме греческого креста с полукруглой апсидой, завершается большим центральным куполом на четырех внутренних опорах и колокольнями с малыми куполами на углах здания. К ризалиту с главным входом в церковь примыкают два невысоких, прямоугольных в плане объема, покрытых на два ската. Все углы основного объема здания украшены трехчетвертными восьмигранными колоннами. Стены снаружи оштукатурены, с горизонтальными поясками. Венчающий стены карниз – сложного профиля. Окна вытянутой формы, с полуциркульным верхом. Центральный купол и колокольни имеют круглую форму в плане, завершаются главками луковичной формы с крестами.
Крестовоздвиженский собор является характерным для провинциального города середины XIX века каменным храмом, построенным в русско-византийском стиле.
