Первое упоминание в документах об Ильинской церкви в Лужецкой монастырской слободе относится к 1596 году. Храм, видимо, впоследствии сгорел.

В 1629 году здесь «место под церковь и под могилы, а на церковной земле во дворе поп Василий Макаров и дьячок Иванко Тихонов». В 1653 году церковь ещё не восстановлена: «место, что была церковь святого пророка Илии на посаде, пустошь, что был погост Ильинский». В 1678 году при церкви — священник Григорий Васильев.

В 1705 году в Можайске существовала «Лужецкого монастыря Ильинская слобода, что под городом, а в ней церковь Илии пророка деревянная».

Каменный храм построен в 1852 году и в 1902 году расширен по проекту Владимира Константиновича Филиппова.

При храме в начале XX века было открыто Ильинское общество трезвости с библиотекой-читальней, приобретённой на средства Лужецкого архимандрита Вениамина. При посещении Можайска в 1912 году в церкви служил священномученик Владимир (Богоявленский).

У стен храма находится могила подвижницы монахини Ольги (Мелешковой), псаломщицы. Она была пострижена в мантию в Новодевичьем монастыре.

16 июля 1999 года в Можайске на 85-м году жизни был убит протоиерей Борис Пономарев, который с 1955 года был настоятелем Ильинского храма, устраняя раны, нанесенные церкви войной.

С 2000 года в храме проведены некоторые ремонтно-восстановительные работы: ремонт отопительной системы, обновление навершия колокольни и главного купола, реставрация и золочение крестов, обновление главных ворот.

Богослужения совершаются по праздничным и воскресным дням. Перед совершением таинств проводятся катехизаторские беседы. При храме действует воскресная школа для взрослых.