Впервые церковь во имя св. пророка Илии упомянута в Писцовой книге г.Торжка 1625 г. В ней сообщалось, что тогда на месте нынешнего Ильинского храма стояли две деревянные церкви, одна в честь святого пророка Илии, другая — в честь святой великомученицы Параскевы Пятницы, «строение мирское того приходу посацких людей». При этих церквях был священник Тихон Сергеев и дьяк Василий Максимов. В 1738 г. на месте этих церквей был построен каменный храм во имя св. Пророка Илии с приделом св. мученицы Параскевы.

В 1818 году архиепископом Тверским Серафимом, по прошению прихожан, была выдана храмозданная грамота, которою дано было благословение на сооружение новой каменной двухэтажной церкви «на место каменной Ильинской церкви, яко невместительной для прихожан по тесноте своей и пришедшей уже в опасную ветхость». Инициатором сооружения новой двухэтажной церкви был священник (а впоследствии протоиерей) Симеон Иоаннович Торочков (1800 -1844). Он не только организовал строительство, но и вложил личные средства в убранство храма. Церковь была освящена в 1822 г. В 1865 г. стены верхнего храма расписал священными изображениями художник Александр П.Беренсон, в 1886 г. живопись возобновил московский художник Морозов. В приходе церкви значился среди прочего Императорский Путевой дворец, в котором позднее размещалась женская прогимназия. Храм был обнесен оградой, на его территории находились склепы храмоздателя С.И. Торочкова (с женой Татианой и родственниками) и сестёр Суворовых (Александры, Елисаветы и Анны).

Ильинский храм известен тем, что 13 февраля 1826 г. в его нижней церкви было поставлено на ночь тело императора Александра I, перевозимое из Таганрога, где государь скончался от горячки. А 31 мая того же года в храме было поставлено и тело супруги императора – Елизаветы Алексеевны, скончавшейся в Белёве Тульской губернии и перевозимой в Петербург через Торжок. Об этих событиях в хронике этой церкви под 1826 годом записано: «В сём же году февраля 13 дня в нижней церкви Ильинского храма поставлено было на ночь тело в Бозе почившего Государя Императора Александра I и сего года 31 мая тело в Бозе почившей его супруги Елизаветы Алексеевны».

«Июня 1844 года скончался протоиерей Симеон Иоаннович Торочков, от чахотки (как записано в документах), 80 лет и погребен, по указанному разрешению, при Ильинской церкви в семейном склепе 24 июня. Между многими священнослужителями погребение его совершал Новоторжского Борисоглебскаго монастыря архимандрит Сергий»… Этот протоиерей отличался радушием, гостеприимством; в своем, близ храма, двухэтажном доме он имел удовольствие принимать многих высокопоставленных лиц, в числе коих были: Филарет, митрополит Киевский, Филарет, митрополит Московский, и другие архипастыри, большей частию вызываемые из своих епархий на чреду служения в Священный Синод. Преемником его был протоиерей Димитрий Иванович Соколов, скончавшийся 6 августа 1899 года.

В 1900 г. священником служил Никольский Михаил Феодорович (48 лет, священником с 1878 г., в 1895 г. награжден скуфьей, († 5 декабря 1900 года). В 1901 г. служили: диакон Виноградов Михаил (68 лет, диаконом с 1863 г.), псаломщик Черниговский Павел (63 года, в должности с 1854 г). С 1901 по 1929 гг. в Ильинской церкви протоиереем служил Александр Андреевич Вершинский. 8 декабря 1937 года он был расстрелян на полигоне Бутово. Определением Священного Синода в 2001 году о.Александр Вершинский был причислен к лику святых.

Церковь закрыли в 1929 г. и в 1930 г. здание передали новоторжскому педтехникуму под общежитие.

Во время Великой отечественной войны в 1941 году при бомбёжке шпиль колокольни и барабан храма были разрушены.

В 1971 г. здание храма передано спортивному обществу «Спартак». Около 1978 г. началась реконструкция  утраченных частей, строился барабан церкви. Были пробиты окна второго света во втором этаже храма. Полуциркульное окно на восточном фасаде было заложено. Ведущий архитектор — Ю.Шмаков.

В наши дни (до 2005 г.) здесь размещался спортивный зал школы бокса. В 2005 году Ильинский храм стал подворьем монастыря Нилова пустынь.

С 2013 года Ильинская церковь вошла в состав Торжокского благочиния.