Один из старейших храмов города впервые упоминается во второй половине XVIII века. Этот храм, будучи кладбищенским, не имел собственного прихода и был приписан к Успенскому собору. В период с 1832 по 1839 год на средства купца Ф. Зотова деревянная церковь была перестроена в каменную.

В 1903 году московская купчиха Крылова профинансировала капитальный ремонт храма: был установлен новый иконостас и стены расписаны живописью. В 1913 году, благодаря усилиям кирсановских купцов Якова Попова и Алексея Федорова, в храме были переложены печи и перестелены полы, что стало последней значимой вехой в его дореволюционной истории.

В 1929 году храм закрыли из-за невозможности уплаты налога и долгов. Однако уже в 1936 году в Космодамиановском храме вновь начали служить священники, сосланные из других городов. Осенью 1937 года весь церковный причт был арестован. Среди арестованных были настоятель протоиерей Михаил Сошественский, иерей Владимир Гибралтарский, псаломщик иерей Петр Цыпляковский, протодиакон Валериан Миролюбов и председатель церковного совета Николай Степанков. Михаила Сошественского и Николая Степанкова расстреляли в местной тюрьме, Владимира Гибралтарского приговорили к 10 годам, а остальных, к 8 годам заключения в исправительно-трудовых лагерях. После этого церковь снова закрыли.

Возвращение храмов в послевоенное время в Кирсановском районе было сложным и долгим процессом, включавшим ходатайства верующих, решения на местном уровне и их утверждение в высших органах власти. Первой церковью в Кирсановском районе, возвращенной к духовной жизни, стала именно Космодамиановская церковь. Документ о возвращении храма верующим датирован 8 августа 1944 года, а его открытие состоялось 1 октября 1944 года.