Деревянная церковь выстроена в 1690-1696 годах, расположена к западу от Кремля.
Высокий столпообразный храм состоит из крупного куба с низким четвериком над ним и восьмериком, увенчанным большой луковичной главой на круглой шее. С востока к кубу примыкает небольшой пятигранный алтарный прируб, с запада удлинённая трапезная. Композиция здания довольно типична для подобных храмов, за исключением второго, четырёхгранного яруса, большей частью имеющего в таких случаях форму восьмерика. Мощный куб первого яруса с повалом в верхней части, и верхние ярусы завершены скатными кровлями. Стены храма и трапезной рублены «в обло», а алтарный прируб «в лапу». С внутренней стороны брёвна имеют подтёс. Невысокий объём алтаря завершён стропильной кровлей на пять скатов, крытой тёсом, концы которого обработаны в форме усечённой пики. Небольшие косящатые окна в восточной, северной и южной гранях апсиды отмечены наличниками. Все ярусы храма крыты по скатам тёсом, концы которого обработаны в форме усечённой пики. Шея и луковичная глава покрыты лемехом.
Пониженный объём трапезной завершён двускатной слеговой кровлей с «курицами», покрытой тёсом. Кровля трапезной сильно вынесена над примыкающей с запада папертью. Резные причелины, стык которых завершён «полотенцем», проходят по краю кровель и закрывают наружные торцы подкровельных слег. Такая же кровля устроена над западной папертью. В четверике храма на южном и северном фасадах косящатые окна устроены в два света. В западной стене четверка, в уровне второго света, расположены три небольших окна.
Памятник относится к ярусному типу деревянных церквей, очень распространённых в конце XVII — начале XVIII века. Особенности его объёмно-пространственного решения, прекрасно найденные пропорции, придают храму неповторимый облик. Его чёткий силуэт, подчёркнутый значительным выносом кровель отдельных ярусов, доминирует над западной частью города, являясь основной его вертикалью.
До настоящего времени сохранен комплекс подлинных предметов внутреннего убранства интерьера, являющихся редкой достопримечательностью.
Предметы убранства содержат живопись, представляющую целый комплекс художественных произведений, которые отличает оригинальное оформление конструкций съемного неба, необычную живопись орнамента на брусе портала входной арки, между четвериком и трапезной; живопись на бревнах наката храма, масляная живопись конца XVIII на съемных холстах неба четверика, относящиеся к разному времени создания.
Сохранившийся иконостас насчитывает 124 иконы, которые в настоящее время находятся в собрании Кирилло-Белозерского государственного историко-художественного музея-заповедника. Иконы исполнены в технике темперной живописи и датируются временем постройки деревянного храма. Часть икон отреставрирована художниками-реставраторами Вологодской СНРПМ, в период с 1987 года по 1995 год.
В 2008 году началась реставрация церкви Ильи Пророка. Предметы убранства храма в 2009 году были демонтированы, перед транспортировкой живопись укреплена художниками-реставраторами ГосНИИР Москвы. В настоящее время предметы находятся в реставрации.
24 декабря 2012 года завершены консервационно-реставрационные работы на живописи входной арки портала, съемном середняке свода, иконе «Спас Вседержитель» и бревнах наката деревянной церкви.
В 2012 году продолжились ремонтно-реставрационные работы по сборке храма. Реставрацию проводило ООО «Наследие» Вологды.
