Строительство каменного одноглавого храма с трёхъярусной колокольней было осуществлено в начале XIX века по именному указу императора Александра I.Инициатором строительства выступила Мария Ивановна Ламб, вдова костромского наместника Ивана Варфоломеевича Ламба, в память о своём супруге.
Храм был освящён в 1805 году и первоначально имел два престола: главный в честь Казанской иконы Божией Матери, расположенный в холодном четверике, и придельный во имя святителя Иоанна Златоуста, находящийся в тёплой трапезной. Выбор престола в честь святителя Иоанна Златоуста был обусловлен тем, что он являлся небесным покровителем Ивана Варфоломеевича Ламба.
В феврале 1813 года на кладбище у стен церкви был погребён Иван Кузьмич Васьков (1746–1813), зять Ивана Варфоломеевича Ламба и костромской вице-губернатор, известный как автор первого печатного краеведческого издания «Собрание исторических известий, относящихся до Костромы» (1792). Могила Васькова сохранилась до наших дней.
В начале 1890-х годов храм, за исключением алтаря и колокольни, был капитально перестроен в стиле эклектики на средства уроженца Петрилова, почётного гражданина и костромского купца Дмитрия Евдокимовича Гордеева (умер в 1902 году). После реконструкции церковь была заново освящена в 1892 году, при этом в ней остался только один престол — в честь Казанской иконы Божией Матери.
На рубеже XIX и XX веков рядом с храмом была построена небольшая одноглавая церковь, сооружённая Дмитрием Евдокимовичем Гордеевым в качестве своей усыпальницы. Эта церковь имела престол во имя святителя Димитрия, митрополита Ростовского, и святителя Иоанна Златоуста. Достопримечательностями Димитриевского храма были богатый мраморный иконостас и стенные росписи, представляющие собой копии картин на библейские сюжеты, выполненные такими художниками, как Виктор Васнецов, Николай Ге и Леонардо да Винчи.
В начале 1930-х годов церковь-усыпальница Дмитрия Евдокимовича Гордеева была разобрана на кирпич. В мае 1941 года Богородице-Казанская церковь осталась без священника и бездействовала почти четыре года. Весь период войны община обращалась в различные инстанции с просьбами о разрешении возобновления богослужений. Решением Костромского райисполкома от 7 марта 1945 года храм в селе Петрилово был открыт, но уже 24 июня того же года власти запретили приехавшему в село священнику Иоанну Зеленцовскому совершать богослужения, и храм вновь оказался фактически закрытым. Почти пять десятилетий храм простоял заброшенным. Только в 1991 году он был возвращён Русской Православной Церкви, и в нём возобновились богослужения.