Село Воздвиженское известно с XIV века и исторически связано с древним Радонежем, находясь на Большой Переславской дороге. По преданию, первая деревянная церковь в селе была основана во времена преподобного Сергия Радонежского, который на месте языческого жертвенника поставил крест, а впоследствии здесь была возведена церковь. В XVII веке деревянная церковь в честь Воздвижения Креста Господня имела два придела: во имя святого праведного Алексия, человека Божия, и святителя Николая Чудотворца. Об этом свидетельствуют надписи на древних серебряных богослужебных сосудах, находящихся ныне в ризнице Троице-Сергиевой Лавры.
1 января 1784 года деревянная церковь сгорела, однако церковная утварь, иконы и колокола были спасены. 14 сентября 1786 года новопостроенный деревянный храм с Алексеевским приделом был освящён. Он просуществовал до 1869 года, после чего его разобрали, а на месте алтаря построили часовню, простоявшую на кладбище до 1930-х годов. В 1992 году на месте алтаря разрушенного деревянного храма установили пятиметровый крест.
В 1823 году дворянин Николай Саломирецкий подал прошение о разрешении постройки каменной церкви с двумя приделами в Воздвиженском. Строительство остановилось из-за недостатка средств. Новая владелица села Александра Ивановна Муханова понесла немалые убытки, так как трещины в стенах новосооружённой церкви вынудили снова разобрать её до основания. Лишь московский губернский архитектор Дмитрий Фёдорович Борисов построил здесь каменную церковь. 29 сентября 1847 года святитель Филарет, митрополит Московский, освятил её. В 1855 году были подняты колокола. Алексеевский придел за недостатком средств устроили только в 1885 году.
Архитектурно храм представляет собой центрическое здание, в плане близкое к квадрату, с композицией храма «под звоном». Массивный куб церкви с широко расставленными четырьмя столбами увенчан барабаном-звонницей и со всех сторон обработан небольшими портиками греко-дорического ордера. Портики были восстановлены архитектором И.И. Вороновым в 1970 году. Для размещения придела церковь внутри имеет хоры с точёной балюстрадой, расположенные по периметру стен. Центральная часть храма перекрыта плоским куполом, хоры и барабан — ложными, выполненными в дереве сводами.
В 1931 году настоятелем стал иеромонах Гедеон (Смирнов), насельник Троице-Сергиевой Лавры, арестованный и расстрелянный в 1937 году на полигоне в Бутово. В 1932 году были сброшены семь колоколов, самый большой — 120 пудов. Храм после закрытия был разграблен. В конце 1970-х годов церковь стала филиалом Загорского музея-заповедника.
В 1990 году храм был возвращён Церкви и в нём начались богослужения. За прошедшие годы храм был покрашен снаружи, перекрыта кровля, восстановлена ограда, налажено отопление и освещение. Художник П.В. Пашков выполнил резьбу главного иконостаса и разработал проект иконостаса придела. Были написаны иконы, приобретена утварь, получены в дар колокола, самый большой из них — 250 кг.
