Sorge nel rione di S. Eustachio, su via dei Barbieri, anticamente detta Strada dei Filonardi dal nome della famiglia che nel XVI secolo vi possedeva delle case. Alla fine del quattrocento, al posto dell'attuale edificio sorgeva una piccola chiesa, dedicata alla Santissima Trinità, con annesso un monastero di terziarie francescane. Nel 1560 si trasferì in questa sede la confraternita dei Barbieri che dedicò la chiesa ai due fratelli Cosma e Damiano, ricorati dalle agiografie come medici e taumaturghi. I barbieri, che nel medioevo esercitavano la bassa chirurgia e la flebotomia, scelsero questi santi, già protettori dei medici, e ne fecero i loro patroni. Tra il 1722 ed il 1724 la chiesa fu totalmente riedificata per volere dei Barbieri. La direzione dei lavori fu affidata al capomastro Cesare Crnevale che, come indicato nell' "Obbligatio pro Universitate et collegio Barbitonsorum" conservata presso l'Archivio di Stato di Roma, si occupò di "fare tutti li lavori tanto di muratore, che di stuccatore e scalpellino" . La chiesa attuale conserva ancora integra la struttura architettonica settecentesca, anche se successivi restauri ne hanno modificato la disposizione e decorazione dell'interno. La facciata della chiesa, che appare ancora oggi nella sua veste settecentesca, è ad ordine unico. Sopra al semplice e lineare portale d'ingresso si apre un ampio finestrone centinato entro una cornice sagomata. Nell'architrave della facciata è una scritta che richiama il precedente titolo della chiesa: SSMM COSMAE ET DAMIANO D. L'interno, a navata unica termnante in un presbiterio quadrangolare, è caratterizzato da una corposa decorazione di stucchi settecenteschi. Dai restauri condotti negli utlimi anni è emerso che, già nel settecento, alcune delle decorazioni a stucco presenti nella chiesa erano in parte dorate con la tecnica del mordente e della foglia d'oro. Le pareti laterali, scandite da pilastri d'ordine composito, accolgono due altari inseriti in leggere rientranze, delimitate in alto da arcate in stucco decorato. L'altare di destra è tuttora sovrastato dal settecentesco tondo con l'immagine della Madonna col Bambino, opera di un certo Zuccari (o Zuccheri). L'ovale, inserito in una cornice dorata, è contornato da stucchi ad altorilievo e sovrastato da una corona in stucco dorato. All'epoca del rifacimento, l'altare di sinistra accoglieva un quadro ad olio rappresentante la Crocifissione, oggi perduto, attribuitoa Michelangelo Cerruti.

Anche il quadro dell'altare maggiore, con la Decollazione dei Santi Martiri di Giovan Francesco Romanelli, è andato perduto; tuttavia, sulla parete di fondo della zona presbiteriale, è situata la statua in carta pesta del Nazareno, di epoca ottocentesca.

Sulle pareti laterali del presbiterio sono tuttora situati, entro cornici rettangolari modellate a stucco, due affreschi settecenteschi con le storie dei santi titolari. Molte fonti attribuiscono questi dipinti ad Antonio Bicchierai. Tuttavia, riteniamo che l'autore di questi affreschi sia il pittore Michelangelo Cerruti (cfr. documenti dell'Archivio di Stato di Roma9. Rappresentano: "Santi Cosma e Damiano legati nelle mani e piedi e gettati in mare alla presenza del tiranno, e suo seguito con un Angelo in aria in atto di volerli liberare", mentre, in quello di sinistra dovevano essere i "I Santi Cosma e Damiano sopra un rogo di legna accesa con un angelo discendente restando illesi dal foco". Nella controfacciata della chiesa si trova una cantoria settecentesca, di forma ondulata con intagli dorati. La navata della chiesa è coperta da una volta a botte ribassata, attraversata da arcate trasversali e lunette che poggiano sul cornicione. Gli affreschi della volta, contornati da cornici a stucco dorato, realizzate nel settecento in concomitanza con gli affreschi, sono opera di Giovan Antonio Grecolini (o Crecolini). Contrariamente a quanto affermato nelle guide di Roma, che atribuiscono la decorazione della volta a crociera quadrangolare del presbiterio a Bicchierai, dalle fonti archivistiche risulta che "Il cuppolino sopra l'Altare Maggiore" venne affrescato da Grecolini con la rappresentazione dello Spirito Santo in forma di colomba. La ricostruzione della chiesa termonò nel 1724, come ricordato dall'iscrizione collocata sopra la cantoria, e il 24 maggio del 1725 la chiesa fu cinsacrata dal Vescovo di Rieti, Antonino Serafino Camarda. La notte di Natale del 2012 la chiesa è stata riaperta al culto pubblico, dopo decenni di chiusura, al termine di 6 anni di lavori di restauro.