По преданию, первая россошанская церковь в честь Воздвижения Креста Господня построена в царствование Петра I. О постройке церкви ходатайствовал сподвижник Петра I, полковник Черкасского полка Иван Иванович Тевяшов. Существовала не более 20-30 лет. Вторая церковь в слободе Россошь уже была готова к освящению в 1744 году. Но в этом году церковь не была освящена. Задержка произошла потому, что Острогожский протопоп Антоний не мог представить данный ему указ о построении церкви в слободе Россоши (указ сгорел в его доме). Завязалась переписка, оттянувшая освящение церкви до 1747 года. В начале 1760-х годов церковное строение изветшало. Россошанцы получили разрешение строить новую церковь. Она строилась семь лет. В июле 1766 года жители слободы и окрестностей уполномочили своих священников Василия Венецкого и Михаила Васильева, дьякона Дионисия Васильева и двух своих ктиторов Семена Будкова и Ивана Фроленко просить епископа Тихона о выдаче книги для сбора пожертвований на «иконостас и церковную утварь». 4 июля 1766 года святитель Тихон положил резолюцию: «Дать книгу и указ». 26 мая 1769 года церковь была освящена.
В 1820 году помещик Дмитрий Васильевич Чертков обратился с прошением к преосвященному епископу Воронежскому и Черкасскому Епифанию (Канивецкому) о дозволении взамен обветшавшей деревянной церкви устроить новую — каменную. Проект каменной церкви разработан учениками знаменитого итальянского архитектора Джакомо Кваренги. План и фасад храма утверждены 16 сентября, а грамота подписана 30 сентября 1820 года. В грамоте выражено желание Преосвященного, чтобы здание окончено было в пять лет. Но постройка храма затянулась почти на 14 лет. Причиной замедления постройки мог быть не состоявшийся еще раздел имения Дмитрия Васильевича между тремя сыновьями и двумя дочерьми и, вероятно, неблагополучные годы 1831 и 1832-й, первый – холерный, второй – совершенно голодный.
Крестовоздвиженский храм построен в 1834 году, 15 сентября 1836 года был освящен главный престол.
К постройке колокольни приступили в 1836 году. Она была очень небольшая, в два этажа, но имела очень высокий шпиль, почти равнявший ее с высотою церкви.
5 ноября 1843 года был освящен северный придел.
После революции храм был реквизирован и должен был быть уничтожен, однако заложенный взрывной заряд не уничтожил здание. Храм основательно пострадал в Великую Отечественную войну. Бомбежки и обстрелы разрушили верхнюю купольную часть. В конце 1960-х годов добротную основу пустовавшего здания присмотрели воронежские машиностроители, в здании открылся филиал завода тяжелых механических прессов. Постепенно храм опоясывали производственными пристройками. На начало XXI века в его стенах работает супермаркет. Но до сих пор при побелке на стенах проступают фрески.
В конце 2005 года депутат Государственной Думы от Павловского одномандатного избирательного округа Н.М. Ольшанский в память о трагически погибшем сыне Игоре взял на себя попечение о строительстве храма. В ОАО «Минудобрения» было проведено совещание, в работе которого приняли участие архитекторы, представители строительных и коммунальных организаций города. Было решено завершить все работы к престольному празднику — 2 августа, чтобы накануне можно было провести освящение храма. Большая часть средств на возведение церкви выделена ОАО «Минудобрения». Деятельное участие в организации строительства приняли также городская и районная администрации. Точно в срок все работы были завершены.
Ильинский кафедральный собор построен по проекту архитекторов П.В.Дудина и В.М.Захарова. Площадь фундамента здания – 42 х30 метров, высота до основания главного купола –31,5 метра, строение украшают 4 малых купола с крестами и купол на звоннице. На звоннице – 10 колоколов весом от 4 до 1200 кг. Иконостас сделан из литого камня под цвет белого мрамора. Храм рассчитан на одновременное посещение более полутора тысяч прихожан.
В настоящее время храмовый комплекс в составе Ильинского кафедрального собора и Александро-Невского храма является центром Россошанской епархии.
Божественная литургия в храмовом комплексе совершается ежедневно.