У 17 ст. на місці існуючої пам'ятки стояла дерев'яна церква. 1692 замість неї коштом київського міщанина Петра Гудими була споруджена мурована церква, яка 1718 постраждала від пожежі й 1755 була відновлена полковником осавулом Павлом Гудимою. Імовірно тоді ж до неї з півночі було прибудовано теплий приділ св. Іоанна Хрестителя. Після пожежі 1811 церкву ремонтовано, 1818 в ній влаштовано новий іконостас. У 1-й пол. 19 ст. до церкви з півдня й заходу прибудовано невеликі притвори. В останньому вхід фланковано парами колон спрощеного доричного ордера, що несуть карниз і трикутний фронтон.

Композиція плану церкви аналогічна українським тридільним дерев'яним церквам і складається з бабинця, нави й вівтаря. Вівтар та бабинець у плані п'ятигранні, короткі рамена нави з півночі та півдня тригранні. Над бабинцем влаштовано невеликі хори. Рамена хреста перекрито напівциркульними склепіннями, між ними влаштовано плоскі трикутні паруси, на які спирається високий восьмигранний підбанник, увінчаний зімкненим склепінням бані. В інтер’єрі церкви домінує центральний підбанний простір. Його компактність і спрямованість вгору ще більше підкреслюється тим, що склепіння рамен хреста є ніби підпружними арками, які несуть високий, залитий світлом підбанник. Вражає гармонійне поєднання форм мурованої архітектури (напівциліндричні та зімкнене склепіння) і дерев'яної (трикутні плоскі паруси), з якою пов'язані також Гранчасті об'єми рамен хреста і підбанника. Порівняно невелика споруда вирізняється монументальністю лаконічних і чітких архітектурних форм, підкресленою стриманим зовнішнім де-кором. На середині висоти церкви проходить поясок цегляного поребрика з профільованим карнизом над ним. Стіни та підбанник завершено профільованим карнизом із зірчастими розетками. Увінчує баню невеликий декоративний ліхтарик з маківкою. Вікна напівциркульні, оздоблені в першому ярусі витонченими напівколонками, що несуть легкі трикутні розірвані фронтони. 1996 баню храму позолочено.

Оформлення інтер'єра Іллінської церкви припадає на поч. 19 ст. і пов'язане з перебудовою храму після пожежі 1811. Сучасний стан внутрішнього простору храму після останньої реставрації кін. 50-х рр. 20 ст. відповідає традиціям академічної школи, близьким до зразків храмового живопису 1-ї пол. 19 ст.

Іконостас 1-ї чв. 19 сг. втрачено за радянського періоду. Новий сучасний гіпсовий триярусний іконостас (1992) надає деякої дисгармонії внутрішньому просторові храму. Це сталося внаслідок різниці стилів та кольорового вирішення (яскраві кольори нових ікон контрастують зі стриманою гамою на-стінних олійних розписів).

Протягом 19 — 20 ст. розписи Іллінської церкви неодноразово поновлювали київські художники та реставратори різного професійного рівня. Значне поновлення живопису здійснили 1909 художники іконописної майстерні А. Маленка. 1956 проведено ремонтно-реставраційні роботи пам'ятки спеціальними науково-реставраційними майстернями за проектом арх. І. Шмульсона. Відновлювався також живопис під наглядом художника-реставратора В. Баб'юка. Саме в цей час знайдено фрагменти стінопису 18 ст., пошкодженого пожежею 1811.

Внутрішні стіни церкви покриті олійними розписами у стилі 19 ст. Це сюжети-картини, присвячені в основному діянням пророка Іллі, на пошанування якого і побудовано храм, а також деякі сюжети Євангелія. У зеніті склепіння вівтарної частини храму зображено Бога-Саваофа в оточенні ангелів та херувимів, який благословляє пророків Іллю та Мойсея. Нижче, між вікнами апсиди, симетрично розташовано композицію з зображенням ієрархів церкви на повний зріст у багатому літургійному одязі. Вздовж арки апсиди у медальйонах — погрудні постаті християнських великомучеників. Баню розписано в стилі поч. 20 ст.: на блакитному тлі неба зображено ангелів з білими ліліями, які по колу тримають білу стрічку з написом. Нижче, в підбаннику, вісім вікон. Простінки між ними заповнено ілюзорним малюнком колон з іонічними капітелями — розпис, характерний для 1-ї пол. 19 ст. Прорізи вікон прикрашає рослинний орнамент, за стилем подібний до орнаментів Володимирського собору в Києві. На парусах з трьох боків традиційно розташовано чотирьох євангелістів в овальних медальйонах, прикрашених бароковим орнаментом, характерним для кін. 18 ст. На східній стіні між євангелістами, в орнаментальному обрамленні, вписаному в прямокутник,Діва Марія з білою лілією символом чистоти, в оточенні херувимів (по два з кожного боку). У склепінні лівої частини нави — трикутник Всевидющого Ока на тлі блакитного неба та сріблястих хмар. На південній стіні над вікном — сюжет зі Старого завіту «З'явлення Бога св. пророкові Іллі у вигляді вогню, землетрусу та повітря». Під вікном — композиція «Св. пророк Ілля і цар ізраїльський Ахава», на якій обидві постаті виписано на повний зріст в інтер'єрі царського палацу, де пророк пропонує цареві зібрати ізраїльський народ на горі Карміл та пізнати істинного Бога, а не ідола сонця Ваала.

На західній стіні лівої частини нави — сюжет «Св. пророк Ілля викликає вогонь з неба на п'ятидесятників». На східній стіні середохрестя з обох боків від вівтаря симетрично розташовано сюжети з Євангелія: ліворуч — «Воскресіння Христове», праворуч — «Преображення». Живопис дуже низького рівня, з анатомічними спотвореннями, колорит невиразний, у темно-коричневих гонах.

У склепінні правої частини нави, симетрично до «Всевидющого Ока», на блакитному небі серед білих хмар у центрі напис івритом, виділений жовтим колом. На північній стіні над вікном — сюжет «Св. пророк Ілля воскрешає сина вдови»: ліворуч пророк Ілля тримає мертву дитину, праворуч — мати-вдова, у якої за велінням Бога проживав Ілля. Під вікном на північній стіні — композиція «Св. пророк Ілля розділяє річку Йордан», де зображено дві постаті: пророка та його учня Єлисея. Ілля розмахує мілоттю (верхній одяг), аби зробити прохід на другий берег.

На західній стіні правої частини нави композиція «Св. пророк Ілля викриває народ за ідолопоклонство».

У центрі — ідол сонця Ваал, біля якого зроблено жертовню з тільцем, довкруги якої жреці танцюють ритуальний танок, але їхній бог так і не запалив вогню. На північній стіні середохрестя начебто продовження попереднього сюжету. На тому самому рівні зображено жертвування Господу пророком Іллею тільця, який спалахує божественним вогнем. Композицію супроводжує текст:       «Зішестя вогню з неба на жертву пророка Іллі». Симетрично до неї на південній стіні розпис «Сходження пророка Іллі на небо»: пророк сидить у вогненній колісниці, що несе його в небо на очах здивованого люду.

На всіх композиціях св. Ілля зображений людиною похилого віку з довгим сивим волоссям та бородою, зодягненим у темно-блакитне нижнє вбрання та червону мілоть.

У склепінні над бабинцем розташовано найбільшу композицію храму — «Зішестя Святого Духа». В зеніті склепіння — білий голуб, від якого з усіх боків сипляться золоті краплі на голови апостолів та Богородиці, виписаних уздовж трьох стін: південної, західної та північної. У нижньому ярусі бабинця вздовж вікон південної стіни — сюжет «Благовіщення»: праворуч — Діва Марія на колінах, ліворуч — архангел Гавриїл з білою лілією. Праворуч від «Благовіщення» у стилізованій рамі портрет на повний зріст архимандрита Митрофана в одязі ченця. Подалі, ближче до входу св. пророчиця Марія Єгипетська на тлі гори. Симетрично до неї на північній стіні св. апостол Петро, який сидить під деревом. Праворуч від нього, навпроти архимандрита Митрофана — портрет першого митрополита київського св. Михаїла у багатому літургійному вбранні — один з найкращих зразків живопису 1-ї пол. 19 ст. в Іллінському храмі. Завершує північну стіну композиція «Хрещення Господнє»: Ісус Христос стоїть у воді, праворуч від нього — Іоанн Хреститель. На хорах розташовано дві композиції «Св. пророк Ілля бере їжу від воронів» та «Св. пророк Ілля бере їжу від ангела». Під хорами на дерев'яних дошках олією написано композицію «Покрова Богородиці» (живопис кін. 19 ст., поновлений у 50-х рр. 20 ст.).

Центральна частина храму відгороджена від вівтаря новим триярусним іконостасом. Його каркас металевий, оздоблений гіпсовим ліпленням у неовізантійському стилі, подібний до іконостаса Володимирського собору в Києві. Виконаний за ескізом худ. С. Демінчука, ск. М. Немченка. Біле гіпсове ліплення передбачається покрити бронзою. Ікони до іконостаса написані худ. С. Вандаловським за традиційним українським каноном, що існував до 17 ст. [529].