První zmínka o zdejším kostele pochází už z roku 1340. Farnost tehdy spadala pod tasovské děkanství a zahrnovala i okolní obce Valeč a Dalešice. Bouřlivé období nastalo v 16. století, kdy se v kraji rozšířilo protestantství – tehdy byla farářská budova vypálena a kostel dočasně sloužil nekatolíkům. Po bitvě na Bílé hoře se Hartvíkovice vrátily do rukou katolické církve, avšak kvůli nedostatku duchovních zůstal kostel dlouho bez stálého kněze.

Současná podoba chrámu se utvářela v průběhu 17. až 19. století. Tehdy byla loď zaklenuta, přistavěna věž a interiér získal bohatou barokní výzdobu. Malby na stropě, znázorňující tajemství růžence, vytvořil v roce 1924 pražský akademický malíř Hybš. Věž kostela měří 34 metrů a nese soubor zvonů – ty původní byly několikrát zabaveny během válek, současné tři zvony byly zavěšeny v roce 1970 a od roku 2000 jsou ovládány automaticky.

Kostel sv. Jiljí je dnes spravován z Náměště nad Oslavou. Po velké rekonstrukci v roce 1977 prošel také řadou novějších oprav – v roce 2004 byla obnovena střecha zákristie, o rok později opravena věž a pokryta mědí, roku 2006 byla provedena nová elektroinstalace a malba interiéru. Poslední významná oprava proběhla v roce 2018, kdy byla vyměněna střecha celého kostela.