История храма тесно связана с основанием города-крепости Верхососенска, заложенного в 1647 году в рамках Белгородской оборонительной черты. В 1648 году в городе была освящена соборная церковь во имя Святой Живоначальной Троицы, а также Крестовоздвиженская церковь, обслуживавшая гражданское население. В апреле 1762 года в результате пожара Крестовоздвиженская церковь сгорела. В это же время в Верхососенск прибыла артель плотников из города Каргополя, возглавляемая Морейко Самсоновым. Мастера, обладавшие опытом строительства храмов в стиле шатрового зодчества, в течение трёх месяцев возвели новый деревянный храм, освящённый в честь пророка Илии. Для строительства использовался морёный дуб из местного казённого леса. Внутреннее убранство храма было выполнено иконописцами новгородской школы.
Первоначально храм имел три главы. В 1900 году к основному объёму были пристроены северный и южный притворы с дверными проёмами, завершённые главками. В 1792 году в храме служил священник Димитрий Переверзев. По данным на 1898–1899 годы, приход Ильинской церкви насчитывал 165 дворов с 1274 прихожанами. В начале XX века в селе Верхососна действовали три деревянные церкви.
В 1930 году храм был закрыт и использовался как кладовая до 1942 года. Во время Великой Отечественной войны богослужения были возобновлены. В 1949 году было принято решение о повторном закрытии храма, а в 1950 году здание было передано местному колхозу. В 1951 году храм был снят с учёта религиозных организаций, и в его здании хранилось зерно.
В 1993 году здание храма было отреставрировано. 2 мая 1997 года постановлением главы администрации Белгородской области № 229 Ильинская церковь была поставлена на государственную охрану как памятник деревянного зодчества регионального значения.
