Початок будівництва церкви припадає або на проміжок між 1761—1765 роками за ініціативою тодішнього ігумена монастиря о. Ієронима Нерезія, або на 1770 рік. Закінчили будівництво у 1771 році, дах церкви був вкритий бляхою.

Церква збудована на місці розібраного домініканського костелу Святого Хреста за проектом архітектора Яна Ґотфріда Гофмана — представника стилю віленського бароко. Посвячення новозбудованого храму під назвою Церква Чесного і животворящого Хреста. 18 вересня 1771 року, з дозволу митрополита Лева Шептицького, провів ігумен о. Інокентій Мшанецький. Дзвіниця збудована у 1849—1854 роках.

Початково одна з веж на фасаді храму призначалася для встановлення у ній дзвону, інша — годинника.

У церкві первинний розпис (фрески) виконав живописець- василіянин Яків Головацький (чернече ім'я — Ісихій). Марцін Твардовський — галицький майстер з Микулинців — виготовив деякі предмети (табернакль, конфесіонали) для церкви. Михайло Філевич (у 1777 році з Бучача переїхав до Холма) для церкви Воздвиження Чесного Хреста Господнього виконав 6 дерев'яних статуй святих, які нині зберігаються в Національному музеї у Львові.

Дмитро Крвавич стверджував, що він виконав їх у Холмі, до Бучача вони потрапили, однак не були використані за призначенням — натомість опинились у збірці Національного музею. Також — що за стильовими ознаками вони схожі з чотирма статуями головного вівтаря церкви Покрови Пресвятої Богородиці в Бучачі.

1777 року Бучацький декан РКЦ, парох Петликівців ксьондз Ян Енґлєрт подарував храму 2 кропильниці для свяченої води, які знаходилися біля стовпів, що підтримують хори. 16 лютого 1778 М.-В. Потоцький прибув до міста і отримав «реверс» від ректора гімназії на 20000 зл. п., які фундатор записав на виготовлення вівтарів до церкви.

Певний час у церкві знаходилося Почаївське Євангеліє, видане 1771 року. 29 липня 1865 року велика пожежа в місті сильно пошкодила храм, згоріла бібліотека. Художник Шлєґль на замовлення о.-ректора Модеста Гнатевича виконав рицину, яка була літографована Вурмом у Відні 1865 року. У гроті мурованої галереї перед церквою є статуя святого Онуфрія Великого. Після відкриття в приміщенні монастиря отців Василіян, діяльність якого була заборонена «совітами», Бучацької школи механізації сільського господарства (нині Державний навчальний заклад Бучацьке професійно-технічне училище) церкву переобладнали під навчальний корпус, розмістивши у ній зернозбиральний комбайн.

Нині у церкві діє церковний хор, керівник — заслужений працівник культури України Марія Кривко.