1902/1904
Von 1902 bis 1904 erbauen die Dominikaner eine neue dreischiffige Klosterkirche in neugotischem Stil mit stimmungsvollem Innenraum und einheitlicher Ausstattung. Die Kirche wird aus rotem Ziegelstein errichtet und schließt auch gelbliche Sandsteinelemente mit ein. Die Mauerfläche der Kirchenfassade wird durch ein großes spitzbogiges Fenster mit vielfach verziertem Maßwerk unterbrochen. Des Weiteren findet sich im Türsturz des Hauptportals ein Hochrelief der Gottesmutter mit zwei Engeln und im Giebel eine Rundplastik des gekreuzigten Jesu zusammen mit dem hl. Dominikus und dem hl. Engelbert von Köln. Klassisch wird das Innere der Kirche im Stil der Neugotik durchgestaltet: so zum Beispiel ein zierlich geschmiedeter Lettner, ein Triumphkreuz mit lebensgroßem Christus, geschnitzte Wandaltäre oder ein reichgeschnitztes Chorgestühl zu beiden Seiten des Presbyteriums. Während schwarze Marmorstufen rechts und links nach oben in den Chorraum führen, gelangt man in der Mitte in die unter dem Altarraum befindliche Krypta. Hier wird an der Stirnseite des Mittelraumes die Reliquie des Heiligen Kreuzes aufbewahrt. Ebenfalls in der Krypta haben die geschnitzten Kreuzwegstationen des Bildhauers Tillmans ihren ursprünglichen Ort, bevor sie in der renovierten Kirche von 2002 in die Hauptkirche übernommen werden.
1951/1952
Im Zweiten Weltkrieg wird Köln einer massiven Bombardierung durch die Alliierten unterzogen. Allein ein Teil des Pfortenbereichs und des Konventgebäudes (zur Lindenstraße hin) sowie drei Spitzbogenarkaden im rechten Seitenschiff bleiben als Bausubstanz erhalten. Ein neuer Kirch- und Klosterbau muss her. Mit der Umsetzung wird der Kölner Architekt Hans J. Lohmeyer (1913–1979) beauftragt. Die aus der Kriegszeit erhaltenen Spitzbogenarkaden werden in den dreischiffigen Neubau integriert, die übrigen Bogen rekonstruiert und der Zugang zur Krypta zugemauert. Statt eines Rippengewölbes erhält das Mittelschiff eine Flachdecke. Die farbige Deckengestaltung übernimmt der Kunstmaler Lüttgen. Die in Blau- und Grautönen gehaltenen Fenster der Seitenschiffe werden von Glasmaler Vincenz Pieper (Münster) geschaffen und greifen symbolisch-abstrakte Formen mit Bezügen zu Heiligen des Dominikanerordens auf. Der Altarraum wird zum Kirchenschiff von zwei Ambonen für Predigt und Schriftverkündigung begrenzt. Ein neuer Opferaltar, eine Tabernakelstehle, ein großes Emailkreuz (von Hans Rheindorf) mit der Kreuzreliquie sowie ein beidseitiges Chorgestühl komplettieren den Chorbezirk. Am 11. Oktober 1952 wird die neue Kirche vom Kölner Erzbischof Joseph Kardinal Frings geweiht.
2002/2010
Fast fünfzig Jahre nach der Weihe der neuen Dominikanerkirche Heilig Kreuz betraut man Professor Gerd Winner und Architekt Wolfgang Westphal mit der grundlegenden Sanierung und Neugestaltung des Innenraums. Das strahlende Weiß und die farblich neu gefasste Heraklith-Decke in Weiß, Sonnengelb und Orange schaffen eine einladend offene Atmosphäre des umgestalteten Kirchenraumes. Auch die übrige Innenausstattung der Kirche wird mit Hilfe von Edelstahl, hellgrauem Granit und hellem Holz größtenteils ersetzt (siehe: Innenausstattung der Kirche). Schließlich werden Im Jahr 2010 die Umgestaltungsmaßnahmen durch die Anbringung zweier Edelstahlreliefs (Kreuzlabyrinth; Alpha und Omega) sowie dem Schriftzug „Dominikanerkloster Heilig Kreuz“ auf der Kirchenfassade komplettiert und damit abgeschlossen.