Kościół i klasztor został wybudowany w 1645 r. przez Zofię Pudencjannę Ostrogską. Pierwotnie miały zamieszkać w klasztorze Siostry Klaryski. Król Władysław IV osadził jednak 00. Pijarów. Od 1658 r. rozpoczęto naukę w nowej szkole. I tak przez stulecia złączyły się ze sobą kościół i szkoła. W 1702 r. przebudowano fronton kościoła i dobudowano kaplice św. Filipa Nereusza i św. Jana Nepomucena. Projekt rozbudowy przygotował włoski architekt van Grawen. Około 1758 r. dobudowano kaplicę św. Józefa Kalasantego i obecną zakrystię. Pierwotnie zakrystia mieściła się w salach za prezbiterium kościoła, które obecnie zajmowane są przez liceum na sale lekcyjne. W 1776 r. nastąpiła kasata zakonu przez władze zaborcze. Majątek 00. Pijarów przepisano na skarb państwa. Również błędnie figurował kościół jako własność państwa. Odtąd kościołem opiekowali się księża diecezjalni - katecheci ze szkoły. Za proboszcza uważał się dyrektor, klucze były u tercjarza.
Pod koniec XIX w. skromny remont przeprowadził ks. Stanisław Grynicki, katecheta i późniejszy proboszcz Fary. Około 1930 r. ks. Maurycy Turkowski z ofiar uczniów zakupił w Wiedniu organy firmy Rieger. W czasie okupacji Niemcy korzystali z kościoła, jako z "Wehrmachtskirche". W czasie bombardowań została zniszczona wieża południowa, odbudowana staraniem ks. kan. Stanisława Kulanowskiego. Częściowo też dach został pokryty starą blachą. W latach 1951-1970 rektorem, a w latach 1970-1998 proboszczem był ks. prałat Walenty Bal. Za jego kadencji przeprowadzono kapitalny remont świątyni. Szczególnym osiągnięciem było odzyskanie w 1979 r. bocznej kaplicy od strony muzeum. W 1989 r. przepisano kościół na własność parafii rzymsko - katolickiej. Z kościołem Świętego Krzyża przez lata katechizacji związało się bardzo wiele osób. Tutaj jako nauczyciel gimnazjum modlił się sługa Boży ks. Stanisław Papczyński - założyciel zgromadzenia Księży Marianów. Jako uczniowie gimnazjum modlili się: bł. Józef Sebastian Pelczar bp, bł. ks. Roman Sitko - Męczennik Oświęcimia, sługa Boży ks. Jan Balicki.