Первая деревянная церковь с престолом в честь Живоначальной Троицы была возведена в XVII веке на правом берегу реки Вятки. В 1747 году здесь проживало 25 монастырских крестьян, принадлежавших Спасскому Преображенскому Цепочкинскому монастырю. В 1810 году на этом месте находилась дача уржумского купца Терентия Пустовалова, которую он затем продал тайному советнику Мобераху.

В 1740 году Казанская духовная консистория выдала указ на строительство деревянной церкви с приделом в честь Живоначальной Троицы. Главный престол церкви был освящен 24 октября 1744 года протоиереем Никитой Ивановым. В 1817 году было разрешено устроить теплый придел во имя Святой Троицы в трапезной церкви, который был освящен 2 июля 1818 года уржумским благочинным Иаковом Короваевым. В 1810 году сообщалось, что церковь была бедна утварью, но нуждалась только в большом колоколе.

12 июня 1818 года Владыка Амвросий выдал храмозданную грамоту на строительство каменного храма в селе, который был полностью завершен вместе с колокольней к 1828 году. В том же году сообщалось, что церковь еще не была освящена из-за незавершенной внутренней отделки. К 1839 году холодная церковь была оштукатурена изнутри, пол был покрыт опокой, а крыша, жестью. Теплая церковь оставалась в плохом состоянии из-за недостатка средств и была бедна утварью. Лишь к 1852 году пол был выложен цветной кирпичной плиткой, но крыша оставалась деревянной.

В 1915 году о церкви говорилось, что она была каменной с такой же колокольней над папертью, покрыта железом, снаружи отбелена известью, внутри оштукатурена и расписана, полы покрыты опокой, обнесена деревянной оградой в каменных столбах. Ограда была ветхой и требовала ремонта, но утварь была достаточной.

Престолы в холодном храме были во имя Пресвятой Троицы, а в теплом, во имя Космы и Дамиана и в честь преподобных Зосимы и Савватия, Соловецких чудотворцев. Храм был освящен в 1831 году.

Среди первых известных священников были о. Павел Исидоров, о. Михаил Иванов, о. Симеон Михайлов и о. Федот Игумнов, выпускник Казанской новокрещенской школы. В начале XX века здесь служили о. Георгий Сбоев, впоследствии священник Воскресенского собора в Уржуме, и о. Матфей Сатаев. В советское время служили о. Павел Казанский и о. Митрофан Караваев. С 8 июля 1929 года по 23 марта 1930 года в храме служил протоиерей Василий Овчинников.

18 марта 1922 года в церкви произошло изъятие церковных ценностей. В 1930 году Президиум Нолинского Окрисполкома постановил закрыть церковь в селе Космодемьянском, что было подтверждено на заседании Президиума Уржумского райисполкома 19 марта 1934 года и отправлено на утверждение Облисполкома. Не дожидаясь последнего, на том же заседании было решено перевезти все ценные предметы из Козьмодемьянской церкви в другое помещение. После закрытия церкви все ее убранство было разгромлено, кресты спилены, а купол разрушен. В разные годы в здании размещались сельский совет, клуб, магазин и филиал библиотеки.