La construcción de esta capilla –declarada Bien de Interés Cultural (BIC) con categoría de Monumento el 3 de junio de 1931– se remonta al 737 d. C., año en que el rey Favila (737-739), sucesor del caudillo don Pelayo, y su esposa Froiluba promovieron la erección de un templo para albergar la cruz de roble de éste –de ahí la advocación de la capilla–, pocos años después de la legendaria batalla de Covadonga (722). Eran los tiempos de Cangas de Onís como capital del reino astur.

Según la traducción del texto latino hecha por Víctor Nieto, la inscripción fundacional dice lo siguiente: «Vuelve a erigirse por precepto divino este monumento sagrado de obra modesta con los votos de los fieles. Resplandezca con intensa claridad ante la mirada sagrada de este templo, mostrando el signo de la Cruz. Que sea del agrado de Cristo este edificio, consagrado bajo el trofeo de la cruz, que construyó con ostensible fe el siervo Favila con su esposa Froiluba y los amados hijos de su estirpe. Por lo cual, ¡oh, Cristo!, que les sea concedida por tu bondad gracia plena. Y al final del curso de sus vidas disfruten de tu generosa misericordia. Fueron consagrados aquí estos altares por el sacerdote Asterio el día trescientos del presente año. Transcurrida la sexta parte del siglo, corriendo la era septingentésima septuagésima quinta». Así pues, la capilla fue consagrada el domingo 27 de octubre del año 737.

La fábrica original se levantaba sobre un dolmen prehistórico (dolmen de Santa Cruz). «Es improbable que esta ubicación se debiera al simple azar; en realidad, los caudillos del naciente Reino de Asturias de la Alta Edad Media buscaban para legitimar su poder, aún tambaleante, el apoyo de los viejos símbolos, el respaldo del prestigio de los lugares entendidos como sagrados desde épocas remotas, la captación de la fuerza y autoridad de los enclaves ancestrales» (Miguel A. de Blas Cortina).

El templo del s. VIII fue reconstruido en 1632; de aquél aún se conservaba entonces la lápida de consagración. Su sustituto llegó hasta 1936, y fue destruido durante la guerra civil.

La capilla actual, de estilo barroco tradicional, es obra de posguerra, resultado de la reconstrucción llevada a cabo por el arquitecto Luis Menéndez Pidal. Presenta un pórtico que engloba la escalera de acceso y está sostenido en un ángulo por una columna toscana sobre un alto pedestal con relieves simbólicos referidos a la victoria de la cruz sobre la media luna, cerrándose en el lateral opuesto por un muro que remata en sencilla espadaña. Corona la puerta un arco semicircular con verja de madera de tradición popular. Ya dentro, se muestra como una capilla de planta rectangular con cabecera plana y cubierta abovedada que acoge el dolmen en una cripta. La iluminación natural interior corre a cargo de una ventana-hornacina.

Al exterior y en los laterales, los muros –cuyo aparejo combina sillar y sillarejo– muestran gruesos contrafuertes que rematan en aletón.