Первоначально на месте современного храма находился Ильинский мужской монастырь, основание которого датируется серединой XVI века. Монастырь был небольшим и небогатым; в 1613 году, во время польско-литовского нашествия, он подвергся разорению. Старая тёплая церковь Варлаама Хутынского была сожжена, но новая холодная церковь Ильи Пророка уцелела. Купец Кондратий Акишев, начиная с 1610 года, способствовал восстановлению обители, финансируя её ремонт и обустройство.
Деревянная церковь Ильи Пророка простояла около 90 лет, пока не обветшала. В 1698 году она была перестроена в камне. Храм представляет собой небольшое каменное здание кубической формы с одной главой, пятигранной апсидой и короткой трапезной. Архитектурное оформление скромное: лопатки по углам и простой карниз с кокошниками. Такая простота и цельность архитектурного решения характерны для конца XVII века.
В 1738 году монастырь был упразднён из-за упадка монашеской жизни, и церковь Ильи Пророка была обращена в приходскую. В конце XIX — начале XX века приход был небольшим, насчитывал не более ста человек. В 1920-х годах храм перешёл к обновленцам, но в 1924 году община отстранила обновленческого священника и выбрала нового настоятеля. В 1930 году церковь была закрыта для богослужений, её помещения использовались под архив и книжный склад.
Постановлением Совета Министров РСФСР от 30 августа 1960 года храм был поставлен на государственную охрану как объект культурного наследия федерального значения. В 1990–2000-х годах здание было отреставрировано. В настоящее время в нём располагается федеральное государственное учреждение культуры «Всероссийский художественный научно-реставрационный центр имени академика И.Э. Грабаря».
