Кошти на спорудження храму були виділені петрозаводським купцем Юхимом Григоровичем Пименовым і рядом інших благодійників. Церкву будували чотири роки. У 850 році була увінчана Святим Хрестом, а в 1852 році архієпископ Олонецкий урочисто освятив храм.

Про події 1920-1950-х років оповідають нечисленні архівні документи. У 1930 році з фондів храму на потреби індустріалізації" було вилучено дев'ять дзвонів загальною вагою 3, 1 тонни. Пізніше до храму була перенесена частина начиння з підірваного в 1936 році Святодухівського собору.

Хрестовоздвиженська церква залишалася відкритою для богослужінь до початку Великої Вітчизняної війни. Багато священиків були репресовані, і служби відправлялися жінками-прихожанками, яких іменували "матерями". Після звільнення від фінської окупації, 31 жовтня 1944 року, Хрестовоздвиженська церква була передана віруючим. Незабаром у неї з'явилися свій настоятель і священнослужителі.

Хрестовоздвиженська церква на тривалий час стала головним храмом Петрозаводська і всієї Олонецкой єпархії. Сьогодні в ній три престоли: на честь Чесного і Животворящого Хреста Господнього, Вознесіння Господнього і в ім'я св. прп. Антонія Римлянина. В храмі зберігаються мощі карельського святого прп. Єлисея Сумського, частинки мощів святого прп. Антонія Римлянина і святої вмц. Варвари.