Строительство каменного храма было начато в 1869 году по инициативе местных прихожан и благотворителей. Завершение строительных работ и освящение храма состоялись в 1875 году. Храм был возведён по образцовому проекту № 24, распространённому в Российской империи в середине XIX века, что обусловило его архитектурные особенности.
Архитектурно здание представляет собой крестово-купольный храм в русско-византийском стиле. Основной объём храма — двусветный четверик, к которому примыкают трапезная и трёхъярусная колокольня шатрового типа. Храм венчают пять куполов, один из которых центральный, символизирующий Иисуса Христа, а четыре боковых — евангелистов. Фасады оштукатурены и окрашены в белый цвет, что подчёркивает строгость и величие сооружения. Окна имеют полуциркульные завершения, входные двери украшены коваными элементами. Храм был окружён кованой железной оградой на каменном фундаменте.
После освящения в 1875 году храм стал центром духовной жизни не только села Айлино, но и четырёх соседних деревень, объединяя около 3161 человека. При храме действовала объединённая земская школа, что свидетельствует о его значении в образовательной сфере региона.
В середине 1930-х годов, в период антирелигиозной кампании, храм был закрыт. Была демонтирована ограда, конфискованы церковные реликвии, закрашены фрески, уничтожено захоронение приходских священников. В годы Великой Отечественной войны здание использовалось как склад сельскохозяйственной продукции. С 1950 по 1987 годы в здании размещался Айлинский районный дом культуры.
Идея восстановления храма возникла в конце 1990-х годов. В 2001 году было получено благословение на восстановление святыни. С 2002 года началась реконструкция с учётом восстановления прежнего облика храма. Работы проводились при активном содействии местных властей и на средства меценатов. 5 сентября 2005 года состоялось освящение возрождённой Свято-Вознесенской церкви.
