Строительство храма было завершено в 1794 году по инициативе секретаря Грязовецкого уездного суда Михаила Звонарёва. Церковь была выполнена в стиле барокко и освящена в том же году. По описанию 1839 года, здание представляло собой одноглавый храм с полукруглой апсидой и высокой колокольней. Нижняя часть церкви была каменной, верхняя — деревянной, покрытой железом. Вокруг кладбища, на котором располагалась церковь, была деревянная ограда с башнями.
В 1845 году вологодский архиерей распорядился выстроить у церкви теплую трапезную и окружить её каменной оградой. Вскоре у южной стены храма был возведен обширный придел, который 13 ноября 1847 года был освящён в честь святителя Иоанна Златоуста.
В 1930 году церковь была закрыта, а верхняя часть и колокольня разобраны. Здание использовалось под мастерские, а затем склад.
В 1940-е годы здание было возвращено храму, были проведены восстановительные работы. Придел Иоаннов был переименован в честь святителя Николая Чудотворца.
В XXI веке здание храма было капитально отремонтировано. По проекту протоиерея Алексея Фомичева в мастерской Спасо-Прилуцкого монастыря изготовлен новый иконостас. В настоящее время в церкви Воздвижения Честного Креста Господня в Грязовце проводятся богослужения, работает воскресная школа.
Архитектурно храм представляет собой одноглавое здание с полукруглой апсидой. Нижняя часть церкви каменная, верхняя — деревянная, покрытая железом. Колокольня каменная. Вокруг кладбища, на котором расположена церковь, была деревянная ограда с башнями.
