Храм в честь Воздвижения Креста Господня возник на одном из самых древних мест Коломенского кремля, у Пятницких ворот. В XV в. в Воздвиженском деревянном храме имелся придел во имя мучеников Флора и Лавра. В 1764 г. на месте деревянной постройки была воздвигнута каменная двухъярусная церковь с колокольней. Храмоздателем стал Коломенский епископ Гавриил (Кременецкий). В верхней церкви утвердили древний престол во имя святителя Николая, перенесенный из упраздненного храма Николы Заразского (1513 г.). Вместе с ним сюда перешел и храмовый образ - список с зарайской иконы, сделанный в том же году. В конце XVIII в. Крестовоздвиженская церковь поновлялась иждивением коломенского купца И. Т. Мещанинова. С 1790 г. до 1825 г. здесь временно хранилась чтимая Донская икона Божией Матери с Пятницких ворот (XVI в.). В 1832-1837 гг. церковь кардинально перестроили на средства сестер Шараповых. Храм не имел своего прихода, он был приписным к Успенскому собору, и богослужения в нем совершали соборные клирики. В 1920-е гг. в церкви образовался свой приход, в котором служили монахи, изгнанные из Троицкого Ново-Голутвина монастыря. Крестовоздвиженский храм закрыли в кремле последним. В 1930-е гг. монахи были арестованы, судьбы их неизвестны.

В здании разместилась артель инвалидов. Почти все собрание церковных предметов утрачено. Главки и ярус звона уничтожены. В 1980-е гг. помещение использовалось как мастерская и склад Коломенского краеведческого музея.

В 1994 г. храм возвращен православной общине. Создан новый двухъярусный иконостас. В церковь переданы старинные иконы.