Крестовоздвиженскую церковь часто называют Николаевской, так как изначально это были два отдельных храма, которые позже объединили в один приход. Первую Николаевскую церковь в Изюме построили между 1704 и 1709 годами. Деревянное здание располагалось в районе современной Первомайской улицы. Крестовоздвиженскую церковь возвели спустя десять лет на нынешней Харьковской улице. Деревянные строения со временем ветшали, их часто приходилось перестраивать и обновлять из-за пожаров и износа. В начале XIX века, когда вновь встал вопрос о строительстве храмов, было решено объединить приходы и построить один каменный храм Воздвижения Креста Господня с приделом в честь Святителя Николая.

Новую церковь воздвигли на живописном берегу Северского Донца. Крестовый однокупольный храм в стиле классицизма гармонично вписался в окружающий ландшафт. Проект разработал харьковский губернский зодчий П.А. Ярославский, а все работы завершились к 1821 году. В этом же году в церкви освятили три престола: главный, во имя Воздвижения Животворящего Креста Господня, правый, в честь Святителя Николая и святого Симеона Богоприимца, левый, во имя мученицы Евдокии и великомученика целителя Пантелеимона.

Первоначальный вид храма не сохранился, так как здание неоднократно перестраивалось. В середине XIX века его расширили, добавив боковые приделы. После революции церковь пришла в запустение: разбитые окна, текущая крыша и перепады температуры разрушали памятник архитектуры. Во время Великой Отечественной войны храм подвергался бомбежкам, и спустя 40 лет под его фундаментом обнаружили неразорвавшийся снаряд. В послевоенные годы в здании разместили овощехранилище, а затем склад мебельного магазина.

Чтобы сохранить храм, жители Изюма предложили властям устроить в нем музей народного творчества, что позволило получить средства на реставрацию. В 1987 году начались работы по восстановлению церкви. Особый интерес вызвали фрески, поврежденные временем и сыростью. Экспертиза показала, что росписи датируются XIX веком и выполнены мастерами школы В.М. Васнецова. Благодаря усилиям специалистов и пожертвованиям прихожан, купола возрожденного храма снова засияли над Северским Донцом. 19 декабря 1990 года в Крестовоздвиженской церкви прошло первое богослужение после долгих лет запустения.

Сегодня в храме продолжается реставрация фресок. Некоторые специалисты считают, что изображение Архангела Гавриила принадлежит кисти Виктора Васнецова. В церкви также хранится список с чудотворной Песчанской иконы Божией Матери, оригинал которой находится в Свято-Вознесенском соборе Изюма.