Edificata sui resti di antiche mura romane, la chiesa dedicata ai SS. Cosma e Damiano subì nel corso dei secoli molteplici interventi che ne modificarono l'aspetto e la destinazione d'uso.
L'ultima riedificazione risale ai primi del '700 e coinvolse anche l'annesso convento. Collocata all'interno del complesso conventuale di San Cosimato, attualmente la chiesa presenta una facciata rinascimentale, caratterizzata da un portico con volta a crociera a tre campate, al cui interno sono presenti degli affreschi raffiguranti la battaglia contro i Saraceni (A. Rosati, 1670).
All'interno della chiesa, la navata centrale termina con un altare maggiore, e ai lati rispettivamente 5 cappelle a sinistra e una a destra; ognuna delle quali unica per stile, architettura e iconografia. Entrando, la prima cappella, dedicata alla Madonna del Carmine, fu costruita e ulteriormente modificata alla fine del Settecento.
Nella pedrella dell'altare una transenna marmorea (fine sec. XII-XIII sec.) - già facente parte della 'pergula' dell'altare medievale - presenta scolpita una scena ispirata all'apocalisse. La seconda cappella a sinistra, dedicata all'Immacolata, presenta un moderno mosaico dedicato alla Madonna di Lourdes, mentre l'ingresso è caratterizzato da un portale di marmo bianco, i cui stipiti sono scolpiti con motivo a candelabro (fine XV ? XVI sec.).
La terza cappella con volta a crociera, presenta un altare con 'Trittico' dipinto nel 1868, raffigurante S. Francesco, S. Leonardo e S. Caterina di Alessandria.
Nella quarta Cappella, dedicata a S. Antonio, in tipica costruzione rinascimentale, la volta a padiglione presenta affreschi raffiguranti i Padri della Chiesa affiancati dai simboli degli Evangelisti.
La quinta Cappella in stile gotico, dedicata alla S. Croce, presenta sulle vele della volta lacerti con i Quattro Evangelisti; sulle pareti 'il ritrovamento della vera Croce', ed una 'Crocifissione'; nell'intradosso dell'arco, i Santi, Antonio Abate e Apollonia.
La Cappella Orsini o di S. Anna, collocata a destra dell'altare maggiore, venne eretta nel 1628 dal vescovo di Tivoli Mario Orsini, in ricordo della propria Antenata Giulia sepolta a San Cosimato. L'altare odierno venne ricostruito nel 1694 e presenta in alto un grande crocefisso in legno e 'pastiglia', dono del conte Paolo Bolognetti.
Ai lati, in due grandi nicchie, le statue dei due santi titolari, padri della medicina.