Хрестовоздвиженська церква разом з монастирем василіанів становлять єдиний комплекс вцілілих пам’яток архітектури, збудованих Луцьким Хрестовоздвиженським братством.
Перша дерев’яна церква Воздвиження Чесного Хреста будується протягом 1620 р. Будівництво ж цегляної церкви датується початком 30-х років ХУІІ ст. Це був великий храм довжиною 25 м і більше 10 м завширшки. В підвалах знаходилися склепи фундаторів церкви та найбільш видатних діячів братства. Після 1730 р. Хрестовоздвиженська церква переходить до уніатського ордену отців василіан.
В 1795 р. із встановленням влади Російської імперії, храм було знову передано православним і він, як найбільший в місті на той час, стає соборним. У 1803 р. під час великої пожежі в Луцьку згорів дах церкви, а в 1864 р. церкву розібрали до вівтарної частини.
У 1871 р. було відновлене Луцьке православне братство. Церкву відбудовують у 1890 р., зокрема її вівтарну частину. В 1935-1937 роках за проектом архітектора Сергія Тимошенка змінюється силует купола й ліхтаря, а також західний фронтон церкви. З 1956 р. Хрестовоздвиженська церква заноситься у списки пам’яток архітектури УРСР. У 1957 р. під її куполом розміщують небосхил планетарію, а в 1964 р. розбирають притвор пам’ятки і на його місці споруджують двоповерхову прибудову з приміщеннями для обслуговування планетарію.
Влітку 1990 р. споруду повернули православній общині, зусиллями якої вона була відремонтована і відтоді використовується за своїм прямим призначенням – відправленням служби Божої.
