Каменное здание церкви заменило ранее существовавшую деревянную церковь, известную с XVI века.Архитектором нового храма выступил П. И. Фурсов, известный своими работами в Костроме.
Архитектурно храм выполнен в стиле русского классицизма, характерного для первой половины XIX века. Здание представляет собой однокупольный храм с колокольней, расположенной рядом. Внутреннее пространство включает два престола: главный в честь пророка Илии и придельный в честь Казанской иконы Божией Матери. Церковь окружена каменной оградой, внутри которой находится кладбище.
Согласно местному преданию, при строительстве храма под алтарем была обнаружена каменная плита с надписью о заключении мира на этом месте, что, возможно, объясняет происхождение названия села Здемирово.
В советский период, несмотря на массовое закрытие церквей, храм Илии Пророка в Здемирово продолжал функционировать, хотя долгое время оставался без постоянного священника. В 1982 году настоятелем был назначен священник Алексий Розин, после чего начались восстановительные работы. В 2007 году стартовала реставрация фасада, завершенная в 2011 году. В ходе работ храму был подарен малый набор колоколов, а внутреннее убранство и иконостас были частично восстановлены.
