В первой половине XV века на месте нынешнего храма был основан Космо-Дамиановский монастырь. Согласно преданию, его устроителем являлся боярин Иоанн Овин, с именем которого связано обретение в 1425 году чудотворной Овиновской иконы Пресвятой Богородицы, ставшей значимой святыней Галичского края. К началу XVIII века монастырь был упразднён, и его храм стал приходским.
В 1750-х годах на месте прежнего деревянного храма началось строительство нового каменного храма во имя святых мучеников и бессребреников Космы и Дамиана. Работы велись на средства галичского купца Иакинфа Васильевича Скорняшникова. В 1755 году строительство было завершено, и храм был освящён. Архитектурно здание представляет собой пример провинциального барокко с характерной для того времени объёмной композицией. В первой трети XIX века храм был перестроен и расписан.
В советский период храм оставался действующим до 1940 года. 23 августа 1940 года Галичский горисполком принял решение о его закрытии. Прихожане предпринимали попытки сохранить храм, обращаясь к различным инстанциям, однако 5 мая 1941 года храм был окончательно закрыт. В его стенах разместилась артель по производству онучей, иконостас был уничтожен, венчающая церковное здание глава снесена, колокольня полностью разрушена, а местночтимая икона Софии – Премудрости Божией бесследно исчезла.
После окончания Великой Отечественной войны прихожане вновь пытались вернуть храм, однако их просьбы были отклонены. В 1980-х годах в храме проводились отдельные реставрационные работы; внутри здания был установлен иконостас, перевезённый из закрытой Богородице-Рождественской церкви села Реброво Галичского района. В сентябре 1990 года государственные власти возвратили Космо-Дамиановский храм верующим, и 14 ноября 1990 года здесь состоялось первое богослужение.
