Selon la légende, l'église de Cosme et Damien a été construite sur ordre du tsar Ivan le Terrible. En 1552, lors de la campagne contre Kazan, le tsar s'est arrêté à Mourom et a fait le vœu que, si la campagne se terminait avec succès, des églises en pierre seraient construites dans la ville au-dessus des reliques des saints princes de Mourom, Constantin, Mikhaïl, Fiodor, ainsi que Pierre et Févronia. Trois ans plus tard, des maîtres maçons sont arrivés à Mourom et ont érigé plusieurs églises en pierre blanche. Sur la rive de l'Oka, où se trouvait la tente royale du 10 au 20 juillet 1552, les célèbres architectes Barma et Postnik ont construit l'église de Cosme et Damien.

Selon l'inventaire rédigé par V. D. Bartenev en 1637, l'église de Cosme et Damien était "laïque", c'est-à-dire construite avec les fonds des habitants de Mourom. Cet inventaire mentionne qu'en dehors de la ville, sur la rive de l'Oka, se trouvait un monastère de jeunes filles avec une église en pierre en l'honneur des grands thaumaturges Cosme et Damien et une église en bois de la sainte martyre Catherine avec une chapelle dédiée aux saints thaumaturges de Moscou : Pierre, Alexis et Ionas. Le monastère possédait 11 icônes locales, 29 livres imprimés et manuscrits, et 4 cloches pesant 8 pouds. En raison du petit nombre de cellules et de l'absence d'une supérieure, le monastère est tombé en déclin, et ses prairies étaient détenues par le prêtre Maxime.

L'église de Cosme et Damien était un temple cubique à une abside avec un dôme à plusieurs facettes de construction complexe, dont la hauteur initiale était de 12 mètres. Le temple a été consacré en 1565.

En 1868, en raison du déplacement des sols sur la rive de l'Oka, le dôme du temple s'est effondré, et les objets liturgiques ont été transférés à l'église de l'icône de Smolensk de la Mère de Dieu. Ce n'est qu'en 1901 qu'un toit a été installé sur l'église de Cosme et Damien. Pendant l'époque soviétique, des projets de reconstruction du temple ont été proposés, mais ils n'ont pas été réalisés. En 1995, le temple a été restitué à l'Église orthodoxe russe.

Le dôme a été restauré sous une forme modifiée en 2009-2010 selon le projet de l'architecte de Vladimir V. M. Anisimov. Les fonds pour la reconstruction ont été fournis par le monastère de la Trinité de Mourom.