Первоначальные сведения о существовании на этом месте церкви относятся к 1714 году, когда в документах упоминается «Ильинский поп Павел», что свидетельствует о наличии Ильинской церкви в Острогожске. Однако точные данные о дате основания деревянного храма отсутствуют.
В 1764 году на месте прежней деревянной церкви был построен каменный храм с престолом во имя святого пророка Илии. В 1819 году началась пристройка двух придельных алтарей, которая завершилась в 1826 году. В 1834 году были завершены все строительные работы, и храм был освящён с тремя престолами: главным — во имя Преображения Господня, правым — в честь иконы Божией Матери «Знамение», и левым — во имя святого пророка Илии.
В 1896 году в храме проводились работы по обновлению иконостасов, росписей и внутреннего убранства, которые завершились в 1897 году. В советский период храм не закрывался и продолжал функционировать.
Архитектурно храм представляет собой прямоугольное здание с крупным световым восьмериком, увенчанным фигурной купольной кровлей и фонариком с главкой. К церкви примыкает высокая пятиярусная колокольня. В архитектуре храма сочетаются элементы барокко и классицизма. Внутреннее пространство разделено подпружными арками, стены украшены росписями в технике масляной живописи, а четырёхъярусный иконостас выполнен с ампирными мотивами.