В XVI-XVII столетиях здесь было урочище "Старые Паны", где находился польский "Панский двор" (напротив ныне существующей церкви Св. Варвары на ул. Варварке), торговое и дипломатическое представительство Польши в Москве. Панский двор упоминается в летописи под 1508 г. – в сообщении о пожаре, бывшем в Китай-городе. Народ нередко называл это место просто "Паны". По другой версии, название "Паны" (или "Старые Паны") возникло в связи с размещением здесь, по другую сторону Ильинки, Посольского приказа, называвшегося также Панским приказом, поскольку большинство посольских были "панами", то есть из Польши.
Прежнее название Старопанского переулка – Космодамианский (существовавшее до 1922 г.) - произошло от названия храма. Первая деревянная церковь Космы и Дамиана была построена в 1462 году на развилке дорог от Боровицкого холма за Неглинную и за Яузу, а первое ее документальное упоминание датируется 1468 г. В XVI веке в Москве нередко случались сильные пожары, в которых выгорал практически весь город. Один из таких пожаров - 24 июля 1564 г. - не пощадил и деревянную Космодамиановскую церковь. Вскоре после пожара, между 1566 и 1634 гг., ее воссоздали уже каменной, причем выстроили двухуровневой, т.е. на втором "этаже", над Космодамиановскоим алтарем построили небольшой придел Успения Пресвятой Богородицы. Это был двухсветный четверик, увенчанный пятью главами. Богослужения священники совершали в нижнем или верхнем алтаре, а молящиеся стояли внизу.
В XVII в. церковь называлась по ее соседям: "за Степановым двором Годунова", "за двором боярина Михаила Борисовича Шеина", "за двором стольника Семена Ивановича Шеина" или "в Панех". XVII в. стал для церкви Космы и Дамиана веком расцвета в истории ее строительства. В это время не только выстроено основное здание церкви, но и построены три придела на средства вкладчиков, при их же участии осуществлялись содержание этих приделов, плата священнослужителям, приобретались иконы и утварь. А следующий, XVIII в., стал несчастливым, не только из-за пожара, но и из-за безденежья и запустения.
В 1803 г. стараниями протоиерея Ивана Семеновича Пахарского, который в то время был епархиальным духовником, двухуровневую церковь полностью перестроили. На прежнем месте были выстроены новый фундамент, подвал, стены и кровля. Так же, как и раньше, на втором уровне воссоздан небольшой придел "Успения Пресвятой Богородицы". К настоящему времени от прежней постройки XVII в. сохранился лишь небольшой фрагмент апсиды Космо-Дамианского алтаря внутри храма, а от "верхнего храма" XIX века не осталось ничего. Фрагмент апсиды - совсем небольшой – был идентифицирован архитектором Д.П. Суховым при первой реставрации храма в 1926 г. и современными реставраторами в 1997-2005 гг. Он находится на стыке северного и южного алтарей.
Северный придел 1641 г. не перестраивали, лишь внешний облик изменили в стиле классицизма - пристроили к уличному фасаду портик. Тогда же была построена колокольня из кирпича, оставшегося после разборки церкви Жен Мироносиц на Никольской. Во время наполеоновского нашествия храм был разорен, оклады с икон содраны, возможно, так же была разрушена и колокольня, потому что в 1816 г. на ее основе построили новую, более высокую.
Напротив Космодамианской церкви, на небольшом участке, принадлежавшем ей, в 1899 г. архитектором Ф.О. Шехтелем было построено конторское здание (Старопанский пер, д. 5) для арендатора - торгового дома "Аршинов и Ко".
После закрытия храма в 1930 г. государство передавало его здание различным нецерковным учреждениям. В 1960-1980-х гг. здесь размещался Отдел регулирования уличного движения (ОРУД ГАИ), потом совместное предприятие «Диалог».
В 1992-1995 гг. проведено обследование храма и в 1999-2001 гг. начались реставрационные работы. К настоящему времени завершена реставрация северной части храма. В 1995 г. храм был возвращен Русской Православной Церкви. 9 декабря того же года был освящен южный предел в честь Успения Пресвятой Богородицы, а в 26 ноября 2006 г. освятили северный предел в честь Свв. Космы и Дамиана. Как и прежде, главной храмовой святыней остается крест с мощами Космы и Дамиана, который положен в киот на старинную икону Святой Троицы с предстоящими Свв. Космой и Дамианом.
В храме проходят регулярные богослужения.
