В архивных документах впервые упоминание храма Святых Чудотворцев Космы и Дамиана, что в Шубине, встречается в 1625 году. В ту пору Храм был деревянным, и имел приделы Николая Чудотворца и священномученика Поликарпа. В апреле 1626 года Храм был уничтожен пожаром, истребившим и соседние церкви Воскресения на Вражке и пророка Елисея.
В 1626 году на месте сгоревшего стали строить новый, каменный Храм. С этого года он и числится в приходно-расходных книгах Патриаршего приказа. Несмотря на то, что главный престол нового храма был освящен во имя Благовещения Пресвятой Богородицы, среди москвичей он по-прежнему был известен как храм Космы и Дамиана - по перенесенному сюда из сгоревшего деревянного храма престолу, посвященному этим святым. Космодамианский престол до 1858 года располагался в трапезной части церкви. И, хотя в официальных документах храм некоторое время именовался как “Благовещения Богородицы в Шубине между Тверской и Большой Дмитровкой”, но уже к ХVIII столетию обычной стала формулировка “Церковь Космы и Дамиана, в Шубине, за золотою решеткою, придельная, а настоящий храм Благовещения”.
Вероятно, строительство первого каменного храма затянулось, так как обнаруженный реставраторами орленый кирпич в кладке здания обычно датируется серединой ХVII века. Тем не менее, к 1657 году здание уже было достроено. К началу ХVIII столетия здание храма обветшало и в 1703 году началась его капитальная перестройка. Средств на строительство, однако, не хватало и работы затормозились. Недостроенное здание церкви пострадало от пожара в 1712 г., а после выхода государева Указа 1714 года о запрете всякого “каменного строения” в Москве и иных городах, кроме Петербурга, строительство было совсем остановлено. Только в 1722 году последовало разрешение о возобновлении строительства: “1722 года октября 6-го дня запечатан указ о строении церкви по челобитью церкви Космы и Дамиана, что в Шубине, попа Дмитрия Иванова с прихожаны, велено им недостроенную тоя каменную Космодемьянскую церковь противу указу достроить”. В ту пору в приходе церкви числилось всего 7 дворов. Для быстрейшего завершения строительства и в целях экономии средств храм был покрыт деревянной кровлей, которая “без остатка” сгорела в 1773 г. во время сильного пожара в Тверской части. Сгорела и вся застройка - дома причта, хозяйственные помещения. В 1785 г. в церкви был произведен ремонт, заново расписаны стены, старый иконостас был заменен новым. Новым переделкам храм подвергся в 1857-1858 гг.
В 1932-33 годах до второго яруса была разрушена колокольня. Рядом, вплотную к храму, пристроен высокий жилой дом с рестораном “Арагви”. А в конце 1950 - х гг. церковь предполагалось снести полностью. В 1977 - 1979 гг. в храме проводились реставрационные работы (автор проекта реставрации - архитектор Череватая О.В.). Был частично восстановлен облик главного храма, реставрировано его завершение с барочной главкой и золотым ажурным крестом. В северном портале церкви уцелели кованые железные двери, относящиеся, как полагают, к первой четверти ХVIII века - времени строительства храма. К востоку от южного портала в наружной стене сохранилась белокаменная закладная доска. Ограда церкви, появившаяся в ХVIII в., неоднократно заменялась при очередных ремонтах. Во время реставрации она была частично восстановлена в своем последнем варианте.