Первоначально в архиерейской ограде, построенной между 1670 и 1672 годами, было несколько ворот, но почти все они в настоящее время заложены. Небольшая надвратная Воздвиженская церковь была выстроена в конце XVII века вместо шатрового верха над главными Святыми воротами, выходящими к Софийскому собору. Церковь была освящена в 1692 году.
Это достаточно скромное по своей архитектуре здание имеет традиционную композицию объемов. Сравнительно небольшой четверик, увенчанный одной главой, возвышается над прямоугольным алтарем и узкой, сдвинутой к северу трапезной. Прямоугольная форма алтаря была типична для надвратных храмов XVII века.
Воздвиженская церковь упразднена приблизительно одновременно с постройкой теплого Воскресенского собора, т. е. в 70-х годах XVIII века. После упразднения церкви здесь помещалось Епархиальное древнехранилище, инициатива устройства которого принадлежала вологодскому историку и археологу Н. И. Суворову. В 1896 году древнехранилище было открыто и передано в ведение «Постоянной церковно-археологической комиссии любителей истории и древностей».
Надвратная Воздвиженская церковь сохранилась до настоящего времени, но ее прежний облик был несколько искажен купольным покрытием и вычурной главой, относящимися к XVIII веку.