W latach 1845–1849 kościół przebudowano w stylu neogotyckim z fundacji księżnej Doroty Talleyrand-Périgord z przeznaczeniem na grobowiec rodzinny książąt żagańskich. Autorem projektu budowlanego był Leonhard Dorst von Schatzberg. Za tę realizację został uhonorowany orderem przez króla Prus. Ponadto w wystrój i wyposażenie wnętrz zaangażowani byli malarz Karl Joseph Begas, rzeźbiarz Bernhard Afinger, twórca witraży Carl Samuel Scheinert oraz 97 rzemieślników z Żagania i okolic. Biskup Melchior von Diepenbrock poświęcił kościół ponownie w dniu 29 listopada 1849 roku. W latach 30. XX wieku przebudowano wieżę.
W latach 1981–1983 zbito fragment tynków w prezbiterium odsłaniając gotyckie lico ceglane. W ostatnich latach obiekt poddany badaniom konserwatorskim i pracom remontowym (wymiana pokrycia dachowego – 2013 r., badania warstw malarskich – 2014 r., remont ogrodzenia – 2015 r.).
Opis Neogotycki kościół pw. Św. Krzyża usytuowany jest w północno-wschodniej części parku pałacowego, w obrębie założenia szpitalnego, tuż przy zakolu rzeki Bóbr;