Была сооружена как домовая церковь Детского убежища екатеринбургского городского благотворительного общества, которое было основано в 1869 г., в котором к 1914 г. проживало около 100 детей. Церковь была выстроена на средства двух купцов: Василия Васильевича Кривцова, который приобрел участок земли для церкви и выстроил ее здание, и Северина Георгиевича Новикова, обустроившего внутреннее убранство храма.
Церковь была освящена 24 августа 1880 года. Она славилась святынями, принесенными в дар С. Г. Новиковым, каковыми были: частица древа Животворного Креста, вделанная в напрестольный крест и 6 частиц мощей святых угодников - Патриарха Павла, великомученика Пантелеимона, мучеников Трифона, Меркурия, Ореста и Евгении, которые были вделаны в кипарисовую доску, возлежавшую на аналое правого клироса.
Но кроме того, что церковь была домашней церковью Детского убежища (в его здании теперь располагается РВК), она одновременно до лета 1919 года использовалась в качестве воинской полковой церкви для полков Екатеринбургского гарнизона, расквартированных в Оровайских казармах на улице Васнецовской (Луначарского), в которой и теперь располагается воинская часть. В годы гражданской войны она очевидно была полковой церковью для полков Сибирской армии и 11-го и 17-го полков Оренбургского казачьего войска, штабы которых размещались в Екатеринбурге.
После восстановления в Екатеринбурге советской власти домовые церкви были закрыты согласно Декрету ВЦИК. После этого Крестовоздвиженская церковь, стоявшая отдельно от приюта, стала приходским храмом, причем в 1920 г., когда при ней было организовано религиозное общество (община), в нем зарегестрировалось 5000, больше чем при какой-нибудь другой церкви. После того, как в городе возникли обновленческие приходы, эта церковь осталась верной патриарху Тихону. А после смерти Тихона и происшедшего раскола сторонников Патриаршей церкви на сергианское и григорианское направление община церкви оказалась в числе немногих в Екатеринбурге, поддержавших митрополита Сергия. Она стала главной церковью этого напраления, и в ней к концу 20-х годов служило до 12 священников, очевидно из числа тех, кто признавал Сергия, и потому не имел иного места служения. Тогда эту церковь шутливо называли "Собором двенадцати апостолов". В этой церкви в 1926 г. служил сергианский архиерей Корнилий (Соболев), который скончался от нанесенных ему ран после разбойного нападения на него в Пасхальную ночь 1932 г. во время нахождения его в ссылке в Томской области. 
Церковь была закрыта постановлением президиума облисполкома 8 февраля 1930 и передана гороно под клуб. Здание ее годами использовалось не по назначению. В нем располагались различные мастерские. Долго располагалась скульптурная мастерская Художественного фонда. В годы войны в нем был поселен слон одного из эвакуированных зоопарков. Последние несколько лет в нем размещалась мастерская по изготовлению гаражей. В дальнейшем в нем планировалось организовывать студию звукозаписи телевидения или турецкий магазин. Церковь была возвращена в июле 1993 г. верующим, сначала казачьей общине Екатеринбургского землячества казаков, после двухлетних ходатайств, в состоянии значительного разрушения. Здание утратило купол, колокольню. С запада к зданию было пристроено двухэтажное здание, исказившее его облик. В нем был сооружен второй этаж, маждуэтажные перекрытия которого были убраны лишь перед самым возвращением здания. В здании при передаче его верующим были проломлены полы для установки колонн, уничтожены все коммуникации, отсутствовали электропроводка, отопление, были выбиты почти все стекла, отсутствовали запоры на дверях. Здание разворовывалось жителями окрестных домов, которые начали разбирать полы и вынимать рамы из окон.
Службы в полуразрушенном здании церкви перед импровизированным иконостасом из занавесей были возовновлены в мае 1994 г. С августа 1994 г. по март 1995 г. в пристрое к храму временно был освящен небольшой придел св. великомученика Геогия Победоносца, в котором в зиму 1994-1995 г. в неотапливаемом здании было возможно проводить службы. К Пасхе 1995 г. в храме был восстановлен пол и сооружен новый временный иконостас, начались работы по восстановлению внешнего облика здания. С марта 1995 года церковь стала Архиерейским подворьем. Постоянные службы в основном помещении были возобновлены с апреля 1995 года.
В пределах бывшей паперти в советское время была построена красно-кирпичная пристройка, где разместился казачий штаб. После того как в штабе произошёл пожар и сгорел придел во имя святого великомученика Георгия, Правящий Архиерей епископ Никон (Миронов) благословил прекратить казачью деятельность при Крестовоздвиженском храме.
Осенью 1995 года епископом Никоном (Мироновым) было принято решение о придании храму статуса монастырского подворья Верхотурского Свято-Николаевского мужского монастыря.