Храм во имя святого пророка Божия Илии в селе Ключёво (ныне микрорайон города Сергача) известен с XVII века. Первое упоминание о деревянной Ильинской церкви относится к 1733 году, когда она была перестроена после ветхости. В 1734 году храм освятил нижегородский архиепископ Питирим.
К 1848 году обе ключёвские церкви — Ильинская и Козьмодемьянская — пришли в ветхость. На мирском сходе 4 июля 1848 года государственные крестьяне села Ключёво и деревни Мокрый Майдан приняли решение о строительстве новой каменной церкви на добровольные пожертвования. Прошение было направлено епископу Нижегородскому и Арзамасскому Якову, который 14 октября 1848 года разрешил строительство с условием соблюдения византийского стиля.
Каменный храм возводился в период с 1848 по 1856 год. Архитектурное решение сочеталось с элементами эклектики и русско-византийского стиля. Престол освятили в честь пророка Илии, сохранив историческое посвящение.
В 1930-х годах храм был разрушен. Восстановление началось в конце XX века, а в 2003 году церковь была заново отстроена в формах разрушенного здания. В архитектуре воссозданы характерные элементы XIX века, включая завершения колокольни и купольной части.