Деревянная церковь, построенная в период с 1690 по 1696 год, находится к западу от Кремля. Это высокий храм столпообразной формы, состоящий из крупного куба, над которым расположен низкий четверик и восьмерик, увенчанный большой луковичной главой на круглой шее. С восточной стороны к кубу примыкает небольшой пятигранный алтарный прируб, а с западной, удлинённая трапезная. Композиция здания типична для подобных храмов, за исключением второго, четырёхгранного яруса, который обычно имеет 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". Внутренние стороны брёвен имеют подтёс. Невысокий объём алтаря завершён стропильной кровлей на пять скатов, покрытой тёсом, концы которого оформлены в виде усечённой пики. Небольшие косящатые окна в восточной, северной и южной гранях апсиды украшены наличниками. Все ярусы храма покрыты тёсом, концы которого также оформлены в виде усечённой пики. Шея и луковичная глава покрыты лемехом.

Трапезная имеет пониженную двускатную слеговую кровлю с "курицами", покрытую тёсом. Кровля трапезной значительно вынесена над западной 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 расположены в два света. В западной стене четверика на уровне второго света находятся три небольших окна.

Этот памятник относится к ярусному типу деревянных церквей, которые были очень распространены в конце XVII и начале XVIII века. Его объёмно-пространственное решение и прекрасно найденные пропорции придают храму уникальный облик. Чёткий силуэт, подчёркнутый значительным выносом кровель отдельных ярусов, доминирует над западной частью города, являясь его основной вертикалью.

До настоящего времени сохранился комплекс подлинных предметов внутреннего убранства, представляющих собой редкую достопримечательность. Эти предметы содержат живопись, представляющую целый комплекс художественных произведений с оригинальным оформлением конструкций съёмного неба и необычной живописью орнамента на брусе портала входной арки между четвериком и трапезной. Также имеется живопись на бревнах наката храма и масляная живопись конца XVIII века на съёмных холстах неба четверика, относящаяся к разным периодам создания.

Сохранившийся иконостас насчитывает 124 иконы, которые сейчас находятся в собрании Кирилло-Белозерского государственного историко-художественного музея-заповедника. Иконы выполнены в технике темперной живописи и датируются временем постройки деревянного храма. Часть икон была отреставрирована художниками-реставраторами Вологодской СНРПМ в период с 1987 по 1995 год.

В 2008 году началась реставрация церкви Ильи Пророка. В 2009 году предметы убранства храма были демонтированы, и перед транспортировкой их живопись была 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, съёмном середняке свода, иконе "Спас Вседержитель" и бревнах наката деревянной церкви.

В 2012 году продолжились ремонтно-реставрационные работы по сборке храма, которые проводило ООО "Наследие" из Вологды.