Церковь стала 1-м христ. храмом в древнем культовом центре Рима - на Римском форуме - и была посвящена св. врачам-бессребреникам Косме и Дамиану. Выбор этих святых связан с неск. факторами: необходимостью «замещения» почитанием христ. св. братьев культа братьев-близнецов Кастора и Поллукса, храм которых стоял напротив; с памятью о б-ке форума Мира, которая славилась собраниями врачей и лекциями Клавдия Галена. В наст. время рядом с новым входом (с Виа-деи-Фори-Империали) в комплекс включены 2 комнаты с оригинальным мраморным полом форума Мира и со стеной, на которую были прикреплены 150 мраморных плит, составлявших карту Рима (Forma Urbis Romae, эпоха имп. Септимия Севера; на стене слева от совр. входа в базилику сохр. следы монтировки).
В корпусе и структуре базилики почти целиком сохранились формы и элементы рим. строений. Боковые стены совр. мон-ря из тонкого туфа за апсидой, видимо, были продолжением стены, возведенной имп. Октавианом Августом для ограждения храмовой территории. После великого пожара июля 64 г. по Р. Х. храм, вероятно, не восстанавливался, участок был сокращен, перед ним при имп. Нероне был поставлен портик, оформлявший линию Свящ. дороги. При Флавиях участок был расширен и включен в состав форума Мира. При Северах была произведена переделка юго-зап. участка форума. Ок. 307-309 гг., видимо с восстановлением старого храма Пенатов, в духе реконструкции древних культов при имп. Максенции была возведена круглая постройка с окулусом в куполе. Она фактически стала вестибюлем для зала, отделанного образующими геометрические композиции панелями из цветного мрамора в технике opus sectile (известны по рис. Пирро Лигорио из Ватиканской б-ки), с полукруглым завершением в сев.-зап. торце, к-рый был теперь перекрыт крышей; полы выложены мраморными плитами (частично сохр.). Справа и слева от вестибюля-ротонды были построены 2 узких зала с экседрами, с отдельными входами, соединенные с целлой ротонды полукруглой стеной с попарно расположенными экседрами, где были установлены статуи (Таруашвили Л. И. Рим в 313 г. М., 2010. С. 48-50). Бронзовые двери вестибюля, ранее принадлежавшие зданию времени Северов, обрамлены мраморным резным порталом и фланкированы порфировыми колоннами с участком антаблемента на них (все элементы - сполии из др. построек).
Ок. 760 г. папа Римский Павел I (757-767) устроил в правом от входа в ротонду зале ораторий св. Петра в Кремне, впосл. посвященный папе Феликсу IV (III). В 780 г., при папе Римском Адриане I, церковь стала диаконией и была отреставрирована; работы проводились также при папах Римских Льве III (795-816), Пасхалии I (817-824), Григории IV (827-844). Видимо, в IX в. в церковь были перенесены мощи братьев-близнецов святых Марка и Марцеллина (мощи заново обретены при папе Римском Григории XIII в 1583). Ок. 1150 г. был установлен киворий; в 1154-1159 гг., при папе Римском Адриане IV, реконструирован алтарь; в XIII в. к церкви была пристроена кампанила (удалена при реставрации базилики).
В ротонде-нартексе сохранились следы средневек. поновлений и художественных работ (утрачены в самой базилике после реставрации 1626-1632): большой фрагмент фрески с велумами, опоясывавший весь интерьер (XIII в.); остатки фрески сер. XIII в. со Спасителем между Саломией и равноап. Марией Магдалиной в нише апсиды, ориентированной на север (VI или VII в.; впосл. обращена в оссуарий и запечатана, была открыта в 1913), и со сценой «Пир в доме Симона фарисея», с женами-мироносицами у Гроба Господня, с символами евангелистов в софитах арки по контуру ниши; алтарь XII в. (возможно, часть гробницы), отделанный цветным мрамором, с Богоматерью с Младенцем на троне между святыми Космой и Дамианом письма Якопо Торрити или мастера его школы (1292). В крипте (нижней церкви) также сохранилась фреска X в. с образом Божией Матери с Младенцем и со святыми Космой и Дамианом.
В 1503 г. церковь, принадлежавшая ордену регулярных каноников, ввиду сократившегося числа насельников и запущенности мон-ря была передана францисканскому ордену терциариев (подтверждено в 1512 кард. Алессандро Фарнезе (впосл. папа Римский Павел III)), к-рому принадлежит до наст. времени. После землетрясения, в 1592-1605 гг., папа Римский Климент VIII инициировал восстановительные работы, во время к-рых были устроены 7 боковых капелл (Распятия, Богоматери, католич. св. Антония Падуанского, католич. св. Франциска Ассизского, вмц. Варвары, св. Александра, католич. св. Розы из Витербо).
В 1626 г. папа Римский Урбан VIII провел обновление мон-ря и тщательную реконструкцию базилики. В том же году под рук. Л. Арригуччи (разработка Орацио Торриани) началось переоборудование базилики, пострадавшей от просачивания подземных вод: стены I в. были снесены и заменены, пол церкви был поднят на 7 м, до уровня Римского форума по состоянию на 1-ю четв. XVII в., соответственно создана верхняя церковь, куда были перенесены капеллы старой церкви; нижняя церковь превратилась в крипту (где сохр. пол древней базилики), в ротонде был заложен окулус и закреплен световой фонарь. Стены из камня-пеперина были проданы Т. Барберини и вывезены для использования на строительстве дворца семьи Барберини. На деньги, полученные от продажи этого камня, монахи закончили реставрацию церкви к 1632 г. К этому времени относится декорация нижней зоны апсиды: вместо мраморных opus sectile здесь появился ряд медальонов с изображениями францисканских святых: мужчин слева и женщин справа (среди них также не францисканская святая - Биргитта Шведская, ок. 1635); в центральном поле деревянного софита церкви, к-рый в свою очередь разделен на поля прямоугольного и крестообразного рисунка с крупными золотыми рамами, с золотым рисунком гротесков, гербом Барберини с золотыми пчелами, помещена картина «Прославление святых Космы и Дамиана» работы М. Т. Монтаньи (1632); стены расписаны фресками (каждая на отдельном картинном поле) кисти Дж. Б. Сперанцы с историей мучеников; капеллы церкви отделаны стукковыми орнаментальными и растительными рельефами, их входные арки проработаны пилястрами.
В 1879-1880 гг. т. н. храм Ромула был восстановлен по состоянию на нач. IV в., его древние бронзовые двери, поднятые в 1626 г., возвращены на прежнее место (реставратор Р. Ланчани). В 1946-1947 гг. при реконструкции мон-ря ордена терциариев вход в церковь был устроен с Виа-деи-Фори-Империали.
В наст. время в церкви 7 капелл. В капелле Распятия (1-я в правом нефе от старого хода) - фреска XIII в. с Распятием редкой иконографии - Христос представлен в расшитой тунике и в короне.
В крипте под главным престолом находятся мощи мучеников Космы и Дамиана Аравийских, Анфима, Леонтия, Евпрепия, Транквиллина, Марка, Маркеллина, а также серебряный реликварий ап. Матфея.
Мозаичная композиция в апсиде церкви была выполнена по распоряжению папы Римского свт. Феликса IV. В центре возвышается фигура Христа на фоне темно-синего неба с полосами оранжевых с красным облаков в виде трапециевидной дороги, сохранившей следы Его явления. Христос изображен средовеком, с длинными волосами, спускающимися за спину, пробор намечен посредине. Лик Его - удлиненных пропорций, с округло стриженной бородой, правая рука поднята в жесте приветствия (лат. adlocutio), в левой - свиток. На Нем сияющие золотые одежды - хитон и гиматий с клавами, на ногах сандалии.
Монументальный масштаб этого изображения доминирует над находящейся ниже сценой на зеленом поле позема, где апостолы Петр и Павел представляют Спасителю небесных патронов храма бессребреников Косму и Дамиана, держащих в покровенных руках венцы славы. Апостолы портретно узнаваемы: ап. Петр с седыми волосами, с короткой седой бородой; ап. Павел, с лицом удлиненных пропорций, с залысиной, с высоким открытым лбом и с длинной заостренной бородой. Апостолы одеты в белые рим. туники с клавами и в тоги. Жесты их правой (ап. Петра) и левой (ап. Павла) рук могут быть поняты и как указующие на Христа, и как жесты приветствия-прославления (англ. acclamation). Если апостолы показаны стоящими, то святые Косма и Дамиан изображены в динамическом шаге, что подчеркивают и развевающиеся складки одежды у того святого, который изображен справа; у святого слева эта часть мозаики переложена заново.
Чуть в отдалении, т. е. за апостолами, представлены: слева - папа Римский Феликс IV (фигура полностью реставрирована в XVII в.) с церковью-даром, справа - вмч. Феодор Тирон с венцом-подношением. Он изображен в традиционном для эпохи одеянии человека высокого воинского звания: в золотой хламиде с фиолетовым тавлионом, украшенной орнаментом из соединенных ромбов со звездами и с крестами, в красной тунике, на его ногах - белые чулки и сапожки. Внешность его также опознаётся по всем иконографическим признакам: кудрявые волосы, удлиненная заостренная борода.
На 1-м плане - небольшие холмики с кустами, за фигурами - речной поток (судя по надписи на кромке, прямо под фигурой Христа,- Иордан). По сторонам сцену фланкируют 2 финиковые пальмы с плодами, на левой - феникс с солнечным сиянием вокруг головки. Полосу ниже, выложенную золотой смальтой, занимает шествие 12 агнцев (к-рые символизируют собрание апостолов) к Агнцу, стоящему на горе с истекающими из-под нее 4 источниками. По краям этого ряда - изображения св. градов Иерусалима и Вифлеема (ныне скрыты новой рамой апсиды, сократившей поле мозаики). Под ними - полоса с посвятительным текстом и с орнаментом по низу.
В ряду раннехрист. памятников мозаика отличается редкой сохранностью, исключения составляют полностью переложенные фигура папы Римского свт. Феликса IV (худож. Орацио Маненти), правая рука Христа, участок от Его подбородка до верхней части плеч, часть пальцев простертой к Христу руки ап. Петра, нижняя часть фигуры от пояса мученика слева, правая нога ап. Павла, 3 агнца слева, св. грады; утрачена десница Божия над головой Христа (переложенные участки видны на рис. Маненти, 1669-1671; Tiberia V. Il restauro del mosaico della basilica dei Santi Cosma e Damiano a Roma. Todi, 1991. P. 115. Il. 3. (Arte e restauro; 7)).
В мозаиках также наблюдается удаление от светотеневой системы и цветового единства, к-рые отличали мозаичные изображения в рим. ц. Санта-Мария-Маджоре, в сторону резких контрастов, с преобладанием в красочной гамме чистых тонов. Они наделены ощутимой мощью воздействия, обусловленного значением церкви как первой из христ. храмов, возникших в центре языческого Рима.
Композиция в апсиде, представляющая развитие иконографии Traditio legis, может быть истолкована и как Теофания Господа во Втором Его пришествии. Апокалиптический аспект раскрывает композиция на триумфальной арке с 24 старцами (сохр. только руки 2 старцев), протянувшими венцы к Престолу (на золотой площадке трон, украшенный жемчугами, рубинами и изумрудами), на к-ром поставлен крест и на синей подушке с золотой каймой возлежит Агнец, и под к-рым находится свиток, запечатанный 7 печатями, по сторонам - 7 светильников, по 2 ангела и по паре символов евангелистов (сохр. ангел и орел с книгами, слева и справа). Мозаики триумфальной арки, возможно, датируются понтификатом папы Римского Сергия I (687-701), обнаруживая различия в стиле и технике исполнения по отношению к мозаике апсиды,- они проще, ангельские лица типически однообразны.
Вместе мозаики апсиды и триумфальной арки формируют еще один программный замысел ансамбля - отражение полноты Церкви: через собрание апостолов и святых, 1-й в христианской истории образ Римского понтифика в предстоянии Богу, изображение 7 подсвечников, символически представляющих 7 Церквей из Откровения Иоанна Богослова, к-рые составляют единство Небесного Иерусалима. Подтекстом подобной программы, как и факта передачи церкви помещений форума Мира, могло быть историческое значение этого района: форум Мира был заложен по окончании Иудейской войны и стал хранилищем вывезенных из Иерусалима святынь Иерусалимского храма (Osborne J. The Jerusalem Temple Treasure and the Church of S. Cosma e Damiano in Rome // Papers of the British School at Rome. L., 2008. Vol. 76. P. 173-181).