29 мая 1494 года в Устюге умер второй известный местный юродивый Иоанн, который был канонизирован на Соборе 26 февраля 1547 года. Его похоронили на Соборной площади между Успенским и Прокопьевским соборами. Через несколько лет устюжанин Федор Тутыгин возвел над его могилой церковь во имя Происхождения Честного и Животворящего Креста с приделом, посвященным Иоанну. С 1683 года эта церковь стала соборным храмом и третьей святыней соборного комплекса. Как и другие храмы, она неоднократно горела и восстанавливалась.

8 февраля 1656 года по указу Ростовского митрополита Ионы и на средства купца Никифора Ревякина на месте деревянной церкви была заложена каменная церковь во имя Происхождения Честного Креста с приделом в честь праведного Иоанна Устюжского. Строительство завершилось в 1663 году. Храм имел пять куполов и колокольню с южной стороны с шестью колоколами. В 1695 году по приказу устюжского епископа Александра колокольня была разобрана, а материалы использованы для строительства архиерейского двора, как и колокольня Прокопьевского собора.

В 1830 году Иоанновский собор подвергся перестройке: был изменен купол и полностью заменены главы. В 1859 году с западной стороны была пристроена обширная трапезная. 15 января 1909 года произошло обрушение свода, но жертв не было, и иконы не пострадали. 13 мая 1912 года был заложен придел в честь великомученика и целителя Пантелеймона и святых мучениц Веры, Надежды, Любови и их матери Софии. До 1917 года в Иоанновском соборе находилась гробница праведного Иоанна Устюжского.

Среди древних икон, находившихся в храме, можно выделить образ Живоначальной Троицы, образ Происхождения древ Честного и Животворящего Креста Господня, а также образ святого праведного Иоанна. Особо выделяется большой древний образ святого праведного Иоанна Устюжского чудотворца с житием и чудесами. На передней стороне образа на серебряной дощечке была надпись: «лета 7110 сей образ домовой церковной с окладом и с кистью и с пеленою, поставленье Никиты Григорьева сына Строганова». На задней стороне значилось: «лета 7110 Июня в 14 день составил сей образ на Устюге Великом на посаде у чудотворнаго гроба Святаго Праведнаго и Христа ради Юродиваго Иоанна Устюжскаго чудотворца Никита Григорьев сын Строганова». Блаженный Иоанн, устюжский чудотворец.