Этот каменный храм, который сейчас не действует, был построен в 1776 году на улице Ильинской, ныне известной как ул. Интернациональная, 12. Место, где находится Ильинская церковь, изначально заселили казаки и солдаты из Симбирска, Казани и других городов, а также представители мордвы и чувашей. Среди их потомков появились известные сызранские купцы, такие как Петр Куропаткин, Семен Павлыгин и Козьма Вандышев. Именно они решили построить временную деревянную церковь во имя пророка Ильи с приделом Николая Чудотворца на месте, где был Вознесенский монастырь.

Точная дата постройки неизвестна, но надпись в церковной книге «Толковое Евангелие 1698 года Феофилакта Болгарского» указывает, что деревянная церковь в честь пророка Ильи была построена в Сызрани в конце XVII века. Потомки тех же купцов в 1776 году обратились к архиепископу Казанскому Вениамину с просьбой разрешить строительство каменного храма во имя тех же святых, чтобы заменить обветшавшую деревянную церковь. Новый храм имел теплый Никольский придел и холодный Ильинский, соединенные капитальной стеной и аркой.

Храм был освящен в 1776 году соборным протоиереем Петром Стефановым. Все иконы в нем были написаны местным иконописцем, священником отцом Алексием Афиногеновым. Со временем, из-за увеличения числа прихожан, храм расширяли. В 1866 году построили кладовую для ризницы, библиотеки и архива, а в 1874 году добавили новый придел. В 1906 году храм сильно пострадал от пожара, но благодаря усилиям прихожан был быстро восстановлен.

После революции 1917 года церковь захватили обновленцы, но их община вскоре распалась, и церковь закрыли. Здание использовали для хозяйственных нужд, а с 1940 года оно было сдано в аренду заводу «Сызраньсельмаш». В 1993 году церковь была возвращена верующим.