Nel 527 Teodorico e la figlia Amalasunta donarono al papa Felice IV la Biblioteca del Foro della Pace e parte del Tempio del Divo Romolo, nei pressi del Foro Romano.
Quegli ambienti, che erano già stati trasformati in tempio sotto Massenzio, furono adattati a chiesa dal Pontefice che li dedicò ai Santi Cosma e Damiano.
Nel 1632, sotto Urbano VIII, la basilica subì un'importante ristrutturazione che le conferì l'aspetto attuale.
Nel 1947 fu chiuso l'ingresso tramite il Tempio del Divo Romolo e fu aperto quello su Via dei Fori Imperiali.
L'interno è formato da un'aula con tre cappelle per lato ed una presso l'ingresso.
Sul soffitto in legno dorato Gloria dei Ss. Cosma e Damiano di Marco Tullio Montagna.
Fra le opere d'arte custodite nella basilica:
- Storie dei santi titolari, affreschi di Giovan Battista Speranza
- Crocifisso del XIII secolo nella prima cappella a destra
- S. Antonio col Bambino dello Spadarino nella terza cappella a destra
- Mosaici dei secoli VI e VII nel catino dell'abside.