Собор на честь Воздвиження Чесного і Животворного Хреста Господнього споруджений як головний храм монастиря 1689–1709. Зведення головного храму обителі велося коштом декількох полтавських полковників, у тому числі Генерального судді В. Л. Кочубея та його сина, полтавського полковника В. В. Кочубея, та двох українських гетьманів — І. Самойловича й І. Мазепи. Ймовірно, що під час свого візиту до Полтави 13 липня 1650 р. в монастирі побував Богдан Хмельницький.У полтавський період Великої Північної війни, з 28 квітня по 27 червня 1709 р. монастир був резиденцією шведського короля Карла XII. Вже після Полтавської битви 28 червня монастир оглянув і Петро І. Відтоді відвідування полтавської обителі представниками правлячої династії царської Росії були включені до обов'язкової програми перебування вінценосних у Полтаві. 3 грудня 1941 р. під час своєї поїздки до Полтави, в монастирі побував Адольф Гітлер.