Точная дата строительства церкви не установлена, но исследователи, опираясь на конструктивные и стилистические особенности, чаще всего относят её к первой половине XVIII века. Известно, что в 1653 году в селе Верхний Березовец Солигаличского района существовали две деревянные церкви: холодная Никольская с приделом Ильи Пророка и тёплая Покровская с приделом Параскевы Пятницы. Вероятно, Никольская церковь сгорела в конце XVII века, и поэтому новая деревянная Ильинская церковь была построена в первой половине XVIII века. Во второй половине XIX века церковь была перестроена: вместо крыльца на западной стороне появилась двухэтажная паперть с лестницей, а крыши покрыли железом. В 1970 году церковь была перевезена в музей и реставрирована по проекту архитектора В.С. Шапошникова в 1970-1977 годах. В ходе реставрации были воссозданы паперть и железные кровли конца XIX века. Однако серьёзная реставрация, вероятно, привела к небольшим изменениям в объемно-планировочной композиции храма, таким как "косая" посадка верхнего восьмерика и неправильная форма апсиды.

Церковь, поставленная на подклет, относится к ярусным храмам типа "восьмерик на четверике" и имеет ярко выраженную ярусную структуру. Четверик поддерживает два уменьшающихся по высоте восьмерика, а над "вспученной" крышей возвышается металлическая луковичная глава с пятигранной апсидой, почти квадратной трапезной, равной по ширине центральному четверику, и более узкой папертью. Подобная объемно-планировочная композиция характерна для церкви Покрова Пресвятой Богородицы из села Старые Ключищи Нижегородской области 1731 года и церкви Николая Чудотворца из села Высокий Остров Новгородской области 1757 года. Сильно выступающие свесы кровли, напоминающие полицы, обогащают силуэт церкви. Четверик храма и трапезная рублены "в обло" из бревен, апсида и восьмерики "в лапу" из окантованных снаружи бревен, а притвор "в лапу" из пиленого бруса. Окна церкви косящатые, в нижнем восьмерике на южной и северной стенах они сдвоенные. Единственным элементом наружного декора является резной подзор четверика.

Главный интерес представляет внутреннее пространство холодной церкви. Храм имеет деревянное перекрытие, имитирующее сомкнутый восьмилотковый свод на тромпах, установленный в ходе реставрации во второй половине XIX века. Свод оклеен узкими полотнищами холста домашнего ткачества и расписан на сюжеты "Страстей Христовых". В центре свода расположена круглая икона с изображением Христа Вседержителя. Роспись свода и центральное тондо относятся к последней реконструкции церкви в конце XIX и начале XX века. Иконостас четырёхъярусный, середины XIX века. Его центральная часть выделена вертикально спаренными колонками, на вершине которых установлены фигуры предстоящих Распятию. Под иконами местного ряда находились панно с библейскими сценами, написанными на холсте, но они, как и иконы праздничного ряда, не сохранились. Отдельные вставки и дополнения резьбы с орнаментом в стиле модерн свидетельствуют о перемонтаже иконостаса в конце XIX и начале XX века. Живопись и резьба в интерьере храма были реставрированы художниками и резчиками Костромской специальной научно-реставрационной производственной мастерской в 1983-1987 годах. "Небо" было наклеено на фанерную основу, чтобы защитить холсты от деформации по пазам тёсовой обшивки свода.