Работы по возведению храма начались в 1860-е годы. Здание было выстроено в традициях русской православной архитектуры того времени. Каменная постройка с пятью главами символизировала Иерусалимский храм. Высокая колокольня, расположенная с западной стороны, позволяла звонарям созывать верующих на богослужения и праздники. Освящение храма состоялось в 1867 году, и с этого момента он стал центральным местом религиозной жизни городского населения.
В течение первой половины XX века храм оставался действующим и регулярно принимал прихожан. Однако политические и социальные изменения в стране не обошли стороной и храм Илии Пророка. В 1920-е годы началась кампания по изъятию церковных ценностей, которые впоследствии передавались в фонды музеев или переплавлялись. В 1930-х годах, во времена гонений на религиозные учреждения, собор был закрыт. Его здание использовалось для хозяйственных нужд, что привело к утрате значительной части внутреннего убранства и икон.
После окончания Великой Отечественной войны отношение к религиозным объектам постепенно смягчилось, и в 1940–50-х годах начались восстановительные работы. К концу 1950-х храм снова начал функционировать, и в последующие десятилетия богослужения стали проводиться регулярно. При этом здание неоднократно подвергалось ремонту. В 1980-е годы, на фоне общего ослабления государственного давления на церковь, храм Илии Пророка стал важным духовным центром для жителей Россоши и окрестных районов.
С обретением Россией независимости и последующим восстановлением церковной жизни в 1990-е годы собор получил новый импульс к развитию. Была проведена комплексная реставрация фасадов и интерьеров. Обновлены фрески, восстановлены утраченные иконостасы, воссозданы старинные росписи. В начале XXI века в храме также появилась система отопления, что позволило проводить богослужения в зимний период.
