Ильинская церковь, построенная в 1746 году, является примером каменной архитектуры раннего барокко, хотя и утратила часть своего первоначального облика. Первое упоминание о ней датируется 1628 годом, когда она называлась "церковь Никола Чудотворец за острогом". В документах 1674 года она упоминается как "церковь Святого Пророка Илии да в приделе Николая Чудотворца". Долгое время в народе и официальных актах она была известна как "Николы, что на погосте". Церковь двухэтажная, с четвериком, к которому примыкает трехчастная апсида, а с западной стороны расположена одноэтажная трапезная. Стены апсиды, четверика и трапезной украшены богато орнаментированными наличниками окон и карнизами, которые обрамляют верхние части здания. Ребра объемов храма и трапезной оформлены в виде тройчатых полуколонок, завершающих орнаментальную композицию. Южная стена церкви имеет порталы, чьи украшения дополняют узорчатый декор, создавая на кирпичных стенах ажурное светотеневое плетение, придающее зданию изящество и легкость. Ильинская церковь демонстрирует мастерство арзамасских строителей.

По словам Н.М. Щеголькова, церковь была возведена "чрезвычайно фундаментально и прочно", с двухаршинными стенами и окнами с решетками даже в куполе, что свидетельствует о страхе перед разбойниками или вражескими нападениями. Пол в церкви был чугунным, подаренным прихожанами, купцами Цыбышевыми, владевшими чугунными заводами.

Внутреннее пространство церкви имеет длину 40 аршин от восточной стены алтаря до западной и ширину 14 аршин от южной стороны до северной. Стены и свод верхнего купола были оштукатурены, окрашены в розовый цвет и расписаны. Главный алтарь посвящен Успению Пресвятой Богородицы и был освящен в 1746 году. Трапезная имеет два придела: правый в честь святого апостола Матфея, а левый, святого пророка Илии.

Историк русской церкви Макарий отмечает, что в церкви хранится резное распятие, приобретенное в конце XVII века посадским Арзамаса Шаянским, известным также как Кащеев. Н.М. Щегольков в своей книге "Исторические сведения об Арзамасе" посвятил этому распятию целую главу "Сказание о Честном и Животворящем Кресте Господнем, находящемся в церкви Илии Пророка в Арзамасе".

Ильинская церковь вместе с теплой церковью Андрея Первозванного и высокой трехъярусной колокольней составляли ансамбль Ильинского прихода. К сожалению, колокольня не сохранилась.