Первые упоминания о храме в Погорелом Городище относятся к 1669 году, когда в грамоте архиепископа Тверского и Кашинского Иоасафа упоминается "Ильинский поп Иеремия". Косвенные свидетельства о существовании храма включают Евангелие, пожертвованное в 1624 году, и надгробия с датами 1647 и 1656 годов. В 1675 году деревянный храм был заменен новым деревянным зданием, которое просуществовало до начала XIX века.
28 апреля 1813 года прихожане обратились с прошением о строительстве новой каменной церкви, однако разрешение не было получено. 23 июля 1819 года благочинный Зубцовского уезда Иоанн Андреев сообщил о ветхости деревянной церкви и вновь просил разрешение на строительство, которое было предоставлено. Строительство каменного храма велось с 1819 по 1837 год на средства помещика Федора Ильича Ладыженского. Главный престол в честь святого пророка Илии был освящен в 1821 году, придел святого Николая Чудотворца — в 1819 году, а придел святого Иоанна Воина — в 1837 году.
Архитектурно храм представляет собой каменное здание с полуциркульной апсидой, прямоугольной трапезной и трехъярусной колокольней. Внутреннее убранство включало росписи с изображениями святых, а также храмовый образ святого Илии на восточной стене. Колокольня была оснащена пятью колоколами, крупнейший из которых весил 112 пудов и был отлит в 1833 году. Храм был окружен каменной оградой с деревянными решетками, при которой находилась каменная сторожка.
В 1846 году была проведена опись церковного имущества, согласно которой длина храма составляла 16 саженей 1 аршин, ширина — 5 саженей 2 аршина. Стены и купол были окрашены желтой краской, главы — голубой с золотыми звездами. Внутренние стены были расписаны различными святыми изображениями, пол — деревянный, окрашенный желтой краской. В церкви насчитывалось 30 окон.
В 1930-х годах храм был закрыт, лишен завершений и переоборудован под сельский клуб. Во время Великой Отечественной войны колокольня и барабан с куполом были утрачены. С 1950-х годов здание использовалось как клуб и кинотеатр.
В 1990-х годах церковь была возвращена верующим. С тех пор в храме возобновились богослужения, ведутся восстановительные работы. В настоящее время церковь действует, в ней совершаются регулярные богослужения.