Строительство Крестовоздвиженского собора в Омске было инициировано в 1858 году генерал-губернатором Западной Сибири Густавом Христиановичем Гасфордом. Средства на возведение храма собирались в течение пяти лет, основными жертвователями стали военные, чиновники, казаки и жители городов Западной Сибири. Сбор пожертвований осуществлял протоиерей Стефан Знаменский, впоследствии канонизированный как святой праведный Стефан Омский.
Первоначальный проект храма разработан старшим городовым архитектором Ф.Ф. Вагнером в 1861-1862 годах. В 1863 году проект был доработан архитектором К. Лазаревым в Санкт-Петербурге. Строительство велось под наблюдением омского городового архитектора Э.И. Эзета. Основным благотворителем выступил омский купец первой гильдии Григорий Петрович Андреев. К 1867 году здание было в основном завершено, но отделочные работы продолжались до 1870 года из-за кончины главного жертвователя.
Торжественное освящение однопрестольного каменного храма состоялось 22 сентября 1870 года. В 1896 году был освящен второй престол в честь иконы Божией Матери «Утоли моя печали». В начале XX века стены храма расписаны по образцу Собора святого князя Владимира в Киеве. С 1891 года при храме действовала церковно-приходская школа для девочек.
В 1920 году имущество собора было национализировано. В 1936 году принято решение о сносе храма, но исполнение решения было отложено. 25 декабря 1937 года Президиум ВЦИК постановил закрыть церковь и снести здание, однако снос не был осуществлен полностью - в здании разместили общежитие кожевенно-обувной фабрики.
7 марта 1943 года храм был возвращен верующим, 26 сентября того же года в нем возобновились богослужения. С 1946 по 1992 год собор имел статус кафедрального. В 1951 году был устроен и освящен третий придел во имя Пророка Илии. В 1988-1990 годах по проекту архитектора В.А. Баранова к зданию пристроены два придела.