Первое упоминание о деревянной церкви Воздвижения Креста Господня в Заинске датируется периодом не позднее 1719 года. Первым священником храма был И. Кириллов. К началу XIX века деревянная постройка обветшала, и в 1826 году на средства прихожан была возведена новая каменная церковь в стиле русского классицизма.
Архитектурно храм представляет собой образец культовой архитектуры в стиле классицизма. В 1935 году храм был закрыт, а его здание использовалось для различных нужд: здесь размещались типография газеты «Красный Зай», швейная мастерская, рентген-кабинет городской больницы и Дом пионеров.
В конце 1980-х — начале 1990-х годов здание храма было передано Казанской епархии и отремонтировано на средства местных жителей. В 1991–1992 годах были заново возведены колокольня и купол центрального объема.