Первые упоминания о храме во имя святого пророка Илии в городе Старице относятся к 1624 году. Согласно писцовой книге Степана Торбеева, на тот момент существовала деревянная церковь клетского типа. В 1714 году было возведено новое деревянное здание храма, которое к 1764 году пришло в ветхость.
В 1767 году священник Алексей Андреев обратился с прошением к епископу Тверскому и Кашинскому Гавриилу о разрешении строительства каменного храма. Храмоздательная грамота была выдана 12 августа 1773 года. Первоначально планировалось строительство на старом месте, но из-за тесноты у косогора в 1778 году специальной комиссией было выбрано новое место - на возвышенности при выезде на площадь по Тверской улице.
Строительство каменного храма началось в 1782 году. В 1788 году был освящен первый теплый придел во имя святой великомученицы Екатерины. Основной холодный храм во имя пророка Илии был завершен к 1804 году и освящен 24 ноября того же года по благословению епископа Тверского и Кашинского Мефодия. Храм имел три престола: главный - пророка Илии, южный - иконы Божией Матери «Всех скорбящих Радость», северный - великомученицы Екатерины.
В 1824 году храм посетил император Александр I. В XIX веке храм содержался на средства местных купцов, среди которых были Александр Щукин, Никита и Александр Золотарские, Василий Ладыгин. В 1890 году при храме была открыта богадельня.
В советский период храм оставался единственным действующим в Старицком районе. В 1922 году из храма были изъяты церковные ценности. В 1937 году был расстрелян настоятель храма протоиерей Алексий Нечаев, впоследствии причисленный к лику новомучеников. Во время Великой Отечественной войны, в январе 1942 года, благодаря усилиям духовенства и прихожан, храм избежал разрушения.
Архитектурно храм представляет собой пятиглавый четверик в стиле русского классицизма с трехъярусной колокольней и трапезной частью. В 2008-2015 годах были выполнены росписи алтарных стен и сводов храма. Среди сохранившихся святынь - старинный образ пророка Илии в серебряной ризе, икона Тихвинской Божией Матери 1788 года, Ахтырская икона Божией Матери, а также предметы из древнего деревянного храма.