El templo comenzó a construirse en 1753, en un espacio en el que los franciscanos habían edificado una capilla durante el siglo XVI. Aunque en el altar mayor se encuentra un cristo negro, que originalmente estaba en la Capilla de San Francisco, Toluca, el nombre de la iglesia se debe a la reliquia que resguarda: una astilla de la cruz verdadera.
La iglesia, de estilo barroco, tiene una torre campanario y un reloj que perteneció al convento de los carmelitas del Santo Desierto de Tenancingo. En los nichos laterales de la puerta hay dos imágenes típicamente hispanas: Santiago y san Isidro Labrador, que también son visitados con fervor por algunos feligreses.
Se encuentra ubicado en el corazón del centro de Toluca, a unos metros del edificio del Ayuntamiento, de la Catedral de San José y la Plaza de los Mártires; durante décadas, ha sido considerado uno de los templos más importantes para la celebración de bodas y otras liturgias de la capital mexiquense.
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