Kilyénfalvát 1567-ben említik először az írásos források Tekerőpatakkal együtt, illetve mint önálló települést az 1616-os székely lustra. Nevét az 1659-ben kőből épített és zsindellyel fedett, Szent Kilián tiszteletére épített második kápolnájáról kapta. A kilyénfalviak kezdetben Gyergyószentmiklósra jártak templomba, ahol 1633-ban külön karzatot építettek a gyergyószentmiklósi templomba, hogy a tekerőpataki és a kilyénfalvi hívek beférjenek. Ugyanebben az évben kolerajárvány pusztította a vidéket, csak Kilyénfalván 700 embert kellett eltemetni. A falu lakosai 1646-ban fakápolnát építettek, melynek harangját Ferenczy György gyergyószentmiklósi plébános készíttette. Tíz év elteltével, 1659-ben kőkápolnát emeltek Szent Kilián vértanú tiszteletére, amelyet 1659 júniusában zsindellyel födtek be. A kápolna körül volt a temető is. 1721-ben Gyergyóújfalu fi liája volt, ekkortól Mária Magdolna tiszteletére épített kápolnáját is említik, amely egy kis haranggal és egyéb liturgikus eszközökkel volt felszerelve. Kilyénfalva 1732-ig Tekerőpatakkal közösen alkotott egy fi liaegyházközséget, majd ettől az évtől kezdte önállósulását a tekerőpataki templom építésével. Mivel a kilyénfalviak nem voltak megelégedve az adminisztrációval, kérték Gyergyóújfaluhoz való csatolásukat, és rövid ideig ide tartoztak. Klobusiczky Ferenc erdélyi püspök 1743-ban ide külön lelkészt helyezett ki Ferenczi József személyében, és Kilyénfalvát önálló plébániává nyilvánította. Beke András plébános idején kezdték el a jelenlegi templom építését 1758-ban. A megbízott építőmester Fogarasy György volt (Fogarasy Mihály püspök édesapja). A kápolnát lebontották, és abból magasították a templomtornyot. A kápolna helyébe épült az iskola, melyet 1786-tól községháznak használtak. A templomot végül 1786-ban szentelte fel gr. Batthyányi Ignác püspök Mária Magdolna tiszteletére. A templomot villámkárosulás érte 1828 júliusában. A tornyot és a templomot 1829–1831 között újjáépítették. 1863 júliusában a templomtorony ismét tűzvész áldozatául esett, és több családi ház is leégett a templom környékén, így újabb helyreállítási munkálatokra volt szükség. 1925 őszén és 1926 nyarán a közbirtokosság felújította, kifestette, és a düledező kőkerítést vaskerítésre cserélte le. A déli oldalon a templomot egy oldalhajóval bővítették, szintén a közbirtokosság hozzájárulásával. Ugyanekkor került sor az első világháborúban leszerelt nagy harang pótlására. A templom külseje a többszöri újjáépítés és javítás ellenére őrzi az eredeti formáját, stílusát. A barokk stílusú templom tornyának alsó részén található gótikus ablakrészlet és a nyugati támpillérek a régebbi kőkápolna emlékei lehetnek. A templom belsejét egy főhajó képezi, kétoldalt elhelyezkedő padsorral. A padokon az ülésrendet családonként határozták meg, amit kisebb változtatásokkal ma is betartanak. A főoltárt Mária Magdolna 1715-ben készült képe és Szent Imre oltárképe díszíti. Mellettük Szent Miklós püspök és Szent Kilián vértanú szobrai találhatók. A ravatalozó kápolnája 2004-ben épült Szent Imre tiszteletére. A falu szülötte dr. Jakab Antal gyulafehérvári püspök (1972-től segédpüspök, 1980–1990 között megyéspüspök).
A kilyénfalvi iskolaépület téglából készült 1888-ban, a nép költségén. Az iskolát 1925. augusztus–november között javították ki, és 1927-ben mintaiskola rangjára került. Mihály Lajos pap szorgalmazására 1933-ban kívül-belül kijavították, kibővítették, újrafödték. Az állami rendeletek értelmében 1948. július 27-én leltárral együtt állami tulajdonba írták át. A hitoktatást az állami iskolákból kitiltották, így ezt a továbbiakban a régi papilak ebédlőjében végezték.