A templomot a 13. században emelték. Az első írásos adat, amely a templommal közvetve kapcsolatba hozható, 1333-ban keletkezett: ekkor fizette Kylien papja a pápai tizedet, és ebből a faluban álló templomra is lehet következtetni. A templom építéstörténetének következő korszaka a 15. század utolsó három évtizedére tehető, amikor sokszögzáródású, mérműves ablakokkal ellátott, gótikus boltozatú szentélyt emeltek.
A 15. század első évtizedeiben különböző témájú falfestményekkel borították a hajó belső és külső déli, valamint nyugati falait. Mindez újabb változtatásokon ment át a reformáció 16. századi elterjedésével, amikor a falu lakossága előbb református, majd unitárius hitre tért, és a templomot közösen használták évekig. Mindeközben a templom korábbi berendezését eltávolították, és a középkori falfestményeket lemeszelték.
Az 1802. évi földrengés a templom épületét is megrongálta. A szentély boltozatának egy része leomolhatott, a maradék részeket 1804-ben lebontották, és a hajóhoz hasonlóan festett famennyezettel helyettesítették. 1829-ben elkészült a hajó nyugati oldala mentén emelt harangtorony. Ekkor került a hajó nyugati bejárata fölé a korábbi déli bejárat csúcsíves kőkeretének indadíszes záróköve, amelynek felületén egy 1497-es bekarcolt évszám található. Ezt az 1994-ben elkezdett épület-helyreállítási munkálatok során visszahelyezték a rekonstruált déli ajtónyílás kőkeretébe.
Az 1977-es földrengés súlyosan megrongálta Sepsikilyén unitárius templomát. A felújítást megelőzően régészeti kutatásra is sor került. Székely Zoltán régész négy kutatószelvény megnyitásával kísérelte meg a lehető legtöbb információ összegyűjtését a templom építéséről, valamint az itt található sírokról.
A ma látható gótikus stílusú templom 15. századi, viszont előtte, amint ezt azok a sírok bizonyítják, melyeket a jelenlegi alapozások átvágnak, már létezett egy korábbi építkezés is. Ennek a keltezését egy olyan sír mutatja, amelyben talált halántékcsont zöldes, bronz lenyomatos elszíneződést mutat – ebből arra lehet következtetni, hogy „S” végű hajkarika volt rajta. Ezen típusú temetkezéseket általában a 12. század végére, a 13. század elejére szokták keltezni. A belső kutatószelvényben felszínre került egy kisebb, félköríves záródású szentély is, amely nagyvonalakban alátámasztja a keltezést.