До нашого часу не збереглися документи, які б засвідчували існування будь-якої церкви над входом до Ближніх печер до ХV–ХVІ ст. Перші графічні зображення будівель над печерами зустрічаються в лаврських виданнях початку ХVІІ ст. Гравюра на плані А. Кальнофойського (1638) зафіксувала над входом до печери споруду, що нагадує одноверху надбрамну каплицю. У 1651 р., за свідченням мандрівника Павла Алеппського, там вже існувала церква з двома банями. У 1700 р. замість дерев’яної Воздвиженської церкви коштом полковника Павла Семеновича Герцика (учасника походу 1695 р. українських козаків та російських військ проти турків під Кизикермен) невідомий архітектор побудував новий однойменний кам’яний храм.

Архітектура Хрестовоздвиженської церкви до нашого часу збереглася у первісному вигляді. Це хрестоподібна в плані трибанна споруда з заокругленим східним та прямокутним західним відгалуженнями. До західної стіни церкви прилягає споруджений 1769 р. одноповерховий прямокутний притвор, що завершується великою банею на низькому восьмигранному барабані. До східного боку у 1740–1745 рр., вірогідно за проектом архітектора Й. Шеделя, було прибудовано одноповерхову галерею, що одночасно слугувала одним із входів до Ближніх печер. У 1830 р. архітектор А. Меленський надбудував над нею другий поверх, де згодом облаштували келії для паламарів.

У Хрестовоздвиженській церкві був похований фундатор храму полковник Павло Герцик, а у ХІХ ст вона стала місцем спочинку Київських митрополитів. У 1914 р. в храмі було поховано київського митрополита Флавіана (Городецького), у 1918 р. – митрополита Володимира (Богоявленського).