Уже к середине IV в., как свидетельствует Кирилл I Иерусалимский, частицы креста распространились по всему христианскому миру. В двух исследованных археологами разрушенных христианских храмах Северной Африки сохранились надписи от 359 и 371 гг., в которых упоминаются имевшиеся в тех храмах частицы креста. О том, что его частицы находились даже в напёрсных мощевиках многих христиан, сообщают Григорий Нисский (около 335 – около 394 гг.) и Иоанн Златоуст (около 347 – 407 гг.). Иоанн Златоуст знает уже больше Кирилла Иерусалимского, сообщая, что «крест Господень был узнан потому, что лежал посреди других, а затем и по бывшей на нём надписи, потому что кресты разбойников не имели надписей». Точная дата обретения креста исследователям неизвестна; по их предположению, оно имело место в 325 или 326 г. После обретения креста император Константин I Великий начал строительство целого ряда храмов, где должны были совершаться богослужения с подобающей этому городу торжественностью. Около 335 г. была освящена воздвигнутая непосредственно возле Голгофы и пещеры Гроба Господня большая базилика Мартириум. День Обновления (т.е. освящения) Мартириума, а также ротонды Воскресения (Гроба Господня) и других построек на месте Распятия и Воскресения Спасителя 13 или 14 сентября стал праздноваться ежегодно с большой торжественностью, а воспоминание обретения креста вошло в праздничное торжество в честь Обновления. Таким образом, по мнению исследователей, установление праздника Воздвижения связано с праздниками в честь освящения Мартириума и ротонды Воскресения, по отношению к которым Воздвижение первоначально имело второстепенное значение. Согласно «Пасхальной хронике» VII в., редактированной при императоре Ираклии, священнодействие Воздвижения (названное здесь явление креста) было впервые совершено в ходе торжеств при освящении иерусалимских церквей. Уже в конце IV в. праздник Обновления базилики Мартириума и ротонды Воскресения был в Иерусалимской церкви одним из трёх главных праздников, наряду с Пасхой и Богоявлением. По свидетельству паломницы конца IV в. Эгерии, Обновление праздновалось в продолжение восьми дней. Каждый день совершалась Божественная литургия; храмы украшались так же, как на Богоявление и на Пасху; на праздник в Иерусалим приходили множество людей, в том числе и из отдалённых областей – Месопотамии, Египта, Сирии. Эгерия подчёркивает, что Обновление праздновали в тот же день, когда был обретён крест Господень, а также проводит параллель между событиями освящения иерусалимских церквей и ветхозаветного храма, построенного Соломоном. Выбор 13 или 14 сентября как даты праздника Обновления мог быть обусловлен как самим фактом освящения именно в эти дни, так и сознательным выбором. По мнению ряда исследователей, праздник Обновления стал христианским аналогом ветхозаветного праздника Кущей, одного из трёх главных праздников ветхозаветного богослужения (Лев. 34:33–36), отмечавшегося на 15-й день 7-го месяца по еврейскому календарю (этот месяц примерно соответствует сентябрю), тем более что освящение храма Соломона также произошло во время Кущей. Кроме того, дата праздника обновления 13 сентября совпадает с датой освящения римского храма Юпитера Капитолийского, и христианский праздник мог быть установлен взамен языческого (однако эта теория не получила большого распространения). Наконец, исследователи допускают, что возможны параллели между Воздвижением Креста 14 сентября и днём Распятия Спасителя 14 нисана, а также между Воздвижением Креста и праздником Преображения за 40 дней до того. Вопрос о причине выбора именно 13 сентября как дня праздника Обновления (и соответственно 14 сентября как дня праздника Воздвижения) исследователями окончательно не решён. В V в., по свидетельству церковного историка Созомена (ум. в 450 г.), праздник Обновления отмечался в Иерусалимской церкви по-прежнему очень торжественно, в продолжение восьми дней, в течение которых «преподавалось даже таинство Крещения». Согласно сохранившемуся в армянском переводе иерусалимскому Лекционарию V в., на второй день праздника Обновления крест показывали всему народу. Тем самым, первоначально Воздвижение было установлено как дополнительный праздник, сопровождающий собой основное торжество в честь Обновления – аналогично праздникам в честь Божьей Матери на следующий день после Рождества Христова или Иоанна Крестителя на следующий день после Крещения Господня. Начиная с VI в. Воздвижение постепенно становилось более значительным праздником, чем праздник Обновления. Если в «Житии» Саввы Освященного (439–532 гг.), написанного в VI в. Кириллом Скифопольским (около 514 – около 557 гг.), говорится о праздновании Обновления, но не Воздвижения, то в «Житии» Марии Египетской (ум. около 521 г.), традиционно приписываемом Софронию I Иерусалимскому (634–638 гг.), говорится, что преподобная Мария направилась в Иерусалим на празднование Воздвижения.