В 1861 г. в Казанской церкви были выполнены ремонтно-строительные работы: для освещения хор в моленном зале устроены окна второго яруса, возведено новое завершение храма – восьмигранный барабан с шатром. В конце XIX в. надстроена алтарная часть. Прямоугольная постройка с симметричными алтарём и притвором украшена боковыми шестиколонными портиками. Декоративный барабан с шатровым куполом сооружён во 2-й половине XIX в. На хорах был устроен Успенский придел.

В 1928 г. решением Арзамасского горсовета обе церкви Крестовоздвиженского прихода были закрыты. Позже летний храм и колокольню снесли, в зимнем храме разобрали шатер и барабан. До 1990-х гг. в здании в разное время находились Народный дом санитарного просвещения, дом пионеров, клуб. С 2003 г. отреставрированная церковь является действующей.

В настоящее время первоначальный облик памятника несколько изменился. Заложена часть окон, утрачена ажурная кирпичная ограда вокруг церкви. В интерьере разобраны шесть опор, поддерживавших хоры. Прежние главный и придельный иконостасы не сохранились. Архитектурные решения паперти и завершения храма, восстановленных в 2004 – 2006 гг., отличаются от первоначальных.
Памятник является интересным примером бесстолпного одноглавого храма зального типа в стиле классицизма с элементами эклектики в перестроенной венчающей части церкви.