Храм Воздвижения Креста Господня был построен у Пятницких ворот, на одном из древнейших мест Коломенского кремля. В XV веке здесь находился деревянный храм с приделом в честь мучеников Флора и Лавра.

В 1764 году на месте деревянного храма возвели каменную двухъярусную церковь с колокольней. Инициатором строительства стал Коломенский епископ Гавриил Кременецкий. В верхней церкви установили престол святителя Николая, который был перенесен из упраздненного храма Николы Зарайского 1513 года. Вместе с ним сюда перенесли и образ, копию зарайской иконы, созданную в том же году.

В конце XVIII века Крестовоздвиженская церковь была обновлена на средства коломенского купца И.Т. Мещанинова. С 1790 по 1825 год здесь временно находилась почитаемая Донская икона Божией Матери из Пятницких ворот XVI века. В 1832 и 1837 годах церковь была кардинально перестроена на средства сестер Шараповых.

Храм не имел собственного прихода и был приписан к Успенскому собору, где богослужения проводили соборные клирики. В 1920-е годы здесь образовался свой приход, в котором служили монахи, изгнанные из Троицкого Ново-Голутвина монастыря. Крестовоздвиженский храм был последним закрытым в кремле. В 1930-е годы монахи были арестованы, и их судьбы остались неизвестными.

В здании разместилась артель инвалидов, и почти все церковные предметы были утрачены. Главки и ярус звона были уничтожены. В 1980-е годы помещение использовалось как мастерская и склад Коломенского краеведческого музея.

В 1994 году храм был возвращен православной общине. Был создан новый двухъярусный иконостас, и в церковь передали старинные иконы. В общине окормляются многие профессиональные художники, и активно развивается паломническая деятельность.