К середине XVIII века Иркутск стал настолько процветающим городом, что мог соперничать с Тобольском за звание столицы Сибири. В городе даже сформировалась своя архитектурная школа, развивавшая одно из направлений сибирского барокко. Наивысшим достижением этой школы стала Крестовоздвиженская церковь в Иркутске. Городская летопись указывает, что строительство началось в мае 1747 года, а клировые ведомости сообщают, что храм был освящен 11 сентября 1758 года.

Академик И.Э. Грабарь, историк русской архитектуры, отмечал, что отделка храма поражает своей виртуозностью, несмотря на ограниченные средства. Мастера, работая с кирпичом и создавая колонны и карнизы, добивались эффекта, когда кирпичные узоры напоминали богатые ткани и ковры. Стены Крестовоздвиженской церкви, по словам Грабаря, представляют собой "ковер", в котором переплетаются элементы Москвы и Украины с восточными мотивами.

В 1779 году с северной стороны церкви был построен теплый придел в честь источения Святой Богородицы. Он подражал основным объемам и имел ярусное завершение. Окончательный облик церковь приобрела в 1860 году, когда по проекту архитектора В.А. Кудельского к западной стене колокольни было пристроено каменное крыльцо с фронтоном, полуколоннами и большими окнами.

Когда-то находившаяся на окраине, Крестовоздвиженская церковь теперь стоит в центре Иркутска, на оживленном перекрестке. Академик Грабарь отмечал удивительную живучесть традиции украшения в этой церкви.

Интерес к церкви проявился еще в XIX веке. В 1887 году Императорская Археологическая комиссия включила ее в Свод памятников отечественной старины, а протоиерей Г. Можаров составил метрику на церковь как на памятник архитектуры. Особенно впечатляет каменное кружево, украшающее стены храма.

Искусствовед Г.К. Лукомский восхищался кружевным узором, который покрывает карнизы, столбы и окна церкви, подчеркивая ее барочные купола. По его мнению, лишь церкви Соликамска и Сольвычегодска могут сравниться с этим храмом по богатству фантазии и изяществу деталей.

В убранстве Крестовоздвиженской церкви присутствуют монгольские мотивы, что придает ей "восточный привкус". Церковь стала образцом для подражания, и ее мотивы можно увидеть в других церквях Иркутска и соборе Посольского Спасо-Преображенского монастыря на Байкале.

После 1917 года храм служил кафедральным собором в 1929, 1936, 1948 и 1991 годах. В 1936 году богослужения прекратились, и с колокольни сняли колокола, самый старый из которых был отлит в 1753 году.