История женевского прихода ведёт от Крестовоздвиженского храма, устроенного первоначально в Берне, штат которого был высочайше утверждён указом от 24 декабря 1816 (5 января 1817) года. Первоначально он находился при резиденции российского посланника. С 1821 года церковь помещалась в замке Рейхенбах. Её постоянно посещала Великая Княгиня Анна Феодоровна, урожденная Принцесса Саксен-Кобург-Заальфельдская. Бернская церковь существовала до 1848 года, когда была закрыта по политическим обстоятельствам и вывезена во Франкфурт-на-Майне.
Открытие храма состоялось в ноябре 1854 года, но уже в Женеве в наёмном доме в вилле Жарглнан на Rue des Eaux Vives. Срок найма этого дома истекал в 1863 году. Для возобновления контракта был необходим капитальный ремонт, который владелец хотел сделать за счет России, либо сам, но при увеличении арендной платы.
Настоятель русской императорской миссии в Швейцарии протоиерей Афанасий Петров озаботился идеей строительства полноценного русского православного храма в Женеве и стал искать на это средства.
В 1862 году женевский кантон безвозмездного передал участок земли в квартале Траншей, стоимостью до 100.000 франков, для строительства отдельной русской церкви. Место было даровано Российской миссии в Швейцарии на весь период, пока на нём будет стоять русский храм. Здесь до XV века находился монастырь святого Виктора, приором которого был «шильонский узник» Франсуа Бонивар.
Закладка храма состоялась 14 (26) сентября 1863 года в присутствии Князя Сергея и Князя Георгия Максимилиановичей Романовских, Герцогов Лейхтенбергских и Принца Николая Петровича Ольденбургского. Строительство церкви велось по проекту Д. И. Гримма, активное участие принимала Великая Княгиня Мария Николаевна, Герцогиня Лейхтенбергская. Работами руководил Жан-Пьер Гильбо. Основным попечителем строительства был настоятель Женевской домовой церкви протоиерей Афанасий Петров. Постройка здания и его отделка обошлись в 280.000 франков. Среди жертвователей были Император Александр II; Императрица Мария Александровна; Великие Князья: Константин Николаевич, Михаил Николаевич с Ольгой Феодоровной, урожденной Принцессой Баденской; Великие Княгини: Елена Павловна, урожденная Принцесса Вюртембергская, и Мария Николаевна; Королева Эллинов Ольга Константиновна и Князь Николай Максимилианович Романовский, Герцог Лейхтенбергский; митрополит Киевский и Галицкий Арсений (Москвин).
В начале июля 1864 года протоиерей Анафасий Петров получил через русского в Швейцарии посланника А. П. Озерова от Патриарха Иерусалимского Кирилла различные дары: св. предметы и деньги.
Освящение Крестовоздвиженской церкви состоялось 14 (26) сентября 1866 года в праздник Воздвижения Честного и Животворящего Креста Господня. Его совершили парижский протоиерей Иосиф Васильев, женевский протоиерей Афанасий Петров, ниццкий протоиерей Василий Прилежаев и веймарский священник Владимир Ладинский.
В храме был венчан М. А. Врубель с Н. И. Забелой, была крещена и отпета первая дочь Ф. М. и А. Г. Достоевских Софья (1868—1868).
К храму были приписаны Варваринская церковь в Веве и Пантелеймоновская в Давосе.
В конце XIX века в храме был выложен плиткой пол и заново позолочены купола. В 1916 году были значительно расширены все три нефа и добавлена над центральной папертью колокольня со звонницей из пяти колоколов, отлитых в Арау. Работы обошлись в 200.000 франков. Освящение обновлённого храма состоялось 12 (25) февраля 1917 года.
Во второй четверти XX века церковь перешла в юрисдикцию Русской Православной Церкви Заграницей. В 1950 году храм стал кафедральным собором викарного епископа Женевского, а в 1963 году — Западно-Европейской епархии.
В 1966 году и в 1980-е годы в соборе был произведён ремонт. В настоящее время храм также нуждается в реставрации.
23 января 2016 года в соборе служил всенощное бдение Святейший Патриарх Московский и всея Руси Кирилл, митрополит Киевский и всея Украины Онуфрий, митрополит Волоколамский Иларион (ныне Будапештский и Венгерский), архиепископ Женевский и Западно-Европейский Михаил (ныне на покое), епископ Солнечногорский Сергий (ныне Патриарший экзарх Юго-Восточной Азии митрополит Сингапурский и Юго-Восточно-Азиатский). Это была первая Патриаршая служба в соборе за всю его историю.
31 октября 2016 года по завершении внешних реставрационных работ архиепископ Женевский и Западно-Европейский Михаил в сослужении духовенства и при большом стечении прихожан и богомольцев собора совершил освящение креста и окропил святой водой главный его купол, который затем был поднят наверх. Вскоре на куполе водрузят крест, после чего будет совершена позолота.
В настоящее время храм является кафедральным собором Западно-Европейской епархии Русской Православной Церкви Заграницей. Настоятель – епископ Лондонский и Западно-Европейский Ириней.