Первоначально на этом месте в XVII веке была возведена деревянная церковь, инициаторами строительства которой стали местные жители Пётр Куропаткин, Семён Павлыгин и Козьма Вандышев.В 1766 году, ввиду ветхости деревянного строения, прихожане обратились к казанскому архиепископу Вениамину с просьбой о разрешении на строительство каменного храма.Разрешение было получено, и в 1768 году каменная церковь была освящена.
Архитектурно храм выполнен в стиле нарышкинского барокко, характеризующегося симметрией элементов, уравновешенностью объёмов и обилием декоративных деталей. В 1906 году, во время большого сызранского пожара, здание церкви серьёзно пострадало, но вскоре было восстановлено. В ходе реставрации вход в храм был перенесён с Набережной улицы на Ильинскую. В 1912–1913 годах была проведена реконструкция, в результате которой алтари установили в одну линию и внедрили водяное отопление.
После Октябрьской революции 1917 года церковь продолжала функционировать. Согласно документу от конца 1919 года, регламентировавшему деятельность религиозного общества Ильинской церкви, прихожане обязывались не допускать политических собраний, враждебных советской власти, а также распространения антисоветской литературы. В 1926 году церковь подверглась ограблению, что привело к финансовым затруднениям. В 1930 году Ильинская община была расформирована, и здание храма передано для хозяйственных нужд; с 1940 года оно использовалось заводом «Сызраньсельмаш» в качестве цеха № 10.
