Находящаяся к югу от собора Крестовоздвиженская церковь была построена в 1693 г. в качестве надвратного храма Святодуховской обители. Храм трехъярусный: в первом размещена арка святых врат, к востоку от которой – легендарная келья царевны Софьи, к западу – большое сводчатое помещение; второй ярус занимает собственно трехчастный храм с притвором, а на третьем находится колокольня. Для этой церкви «характерны простота и величавость форм. Она лишена мелочных украшений; ее образ формируется на совмещении лапидарных объемов и плоскостей. Лаконичная, даже несколько грубоватая архитектура надвратной церкви-колокольни – разительный контраст относительно утонченных архитектурных форм собора. Но если собор статичен в своем кристальном совершенстве, то надвратная церковь характеризуется выразительной динамикой: архитектурные формы нарастают от низенькой апсиды через центральный объем с высокой крышей и декоративной маковкой до арочного восьмерика колокольни».
На протяжении XIX – в начале XХ веков в России наблюдался процесс повсеместной перестройки старых храмов в соответствии со вкусами нового времени: уничтожались древние иконостасы, пристраивались всевозможные приделы, растесывались и закладывались старые, пробивались новые окна, изменялась конфигурация завершений храмов… В конце 80-х гг. XIX в. причет и прихожане соборного храма захотели перестроить свою колокольню, надстроив ее еще двумя ярусами. С этой целью в Путивль был приглашен епархиальный архитектор И.Ф. Дворжецкий. 12 августа 1889 г. он вместе с настоятелем собора священником Василием Романовым и старостой Н.А. Покровским осматривал колокольню и заключил, что «…по ветхости как колокольни так и купола этой церкви всю верхнюю часть их необходимо сломать вплоть до второго этажа и на место их над самыми святыми воротами выстроить новую колокольню согласно представленного проекта». К счастью, этот варварский проект не был осуществлен, и мы и поныне можем любоваться неискаженным обликом красивого в своей простоте Воздвиженского храма.
Согласно мнению о. Иакова Левитского, первоначально церковь над святыми вратами обители была освящена в честь Рождества Христова; после того как в 1764 г. женский монастырь упразднили, она некоторое время пустовала. Однако через шесть лет (в 1770 г.), по указу Святейшего Синода, этот храм «был обращен в приходской, с переименованием престола во имя Воздвижения … Креста Господня». Храм освятили как Воздвиженский потому, что переведенные в него прихожане ранее числились приписанными к одноименной деревянной церкви, упраздненной в 1770 г. «за ветхостию». Где находился этот храм и когда был построен – о. Иаков не указывал. Тогда же первый ярус храма заняло Путивльское Духовное Правление. И.М. Рябинин не соглашался с мнением Левитского и указывал, что «об этом престоле не только не сохранилась память ни у кого из прихожан наших, но и в самой церкви нет никаких памятников существования его: не сохранилось никакой иконы, ни записи, ни книги, ни другого какого-либо предмета».
Согласно утвержденным в 1764 г. новым церковным штатам, в храме должен был быть один протоиерей, два священника, один дьякон и два псаломщика. Так как первоначально к прихожанам соборной церкви относились лишь крестьяне бывшего монастыря, содержание указанного штата духовенства было затруднительно. Эти обстоятельства послужили причиной неоднократных обращений соборян к архиерею с просьбой о причислении к их приходу Воздвиженской церкви, однако просимое было получено не сразу, потому что члены причта Воздвиженского причта не хотели слияния приходов. Это объединение все-таки случилось 29 августа 1817 г., «когда последовали в личном составе причта как соборного, так и Воздвиженского некоторого рода перемены». С тех пор и доныне эти два каменных храма числятся как один приход. Богослужения в церкви Воздвижения совершались приблизительно до 1870 г., а с указанного времени (ввиду сильного обветшания иконостаса), проведение служб стало невозможным. В храм стали сносить различные древности и ветхую, непригодную для использования по прямому назначению, церковную утварь.
Известный искусствовед П.П. Покрышкин, член Императорской Археологической Комиссии, в 1907 г. посещавший Путивль для контроля над ремонтными работами в соборе, назвал Воздвиженскую церковь «чудным уголком XVII века». Настоятель собора, благочинный первого Путивльского округа прот. Андрей Петров просил Императорскую Археологическую Комиссию принять этот храм под свое покровительство и отмечал, что в нем имеется «много древнейших икон, разных служебных принадлежностей». Неизвестно, увенчалась ли эта просьба успехом. После 1936 г. (когда собор закрыли), весь внутренний декор надвратной церкви был уничтожен.
В наши дни помещения колокольни используются в качестве сарая для собора, а в так называемой «келье царевны Софьи» устроена сторожка.
