Один из старейших храмов города. Первое упоминание о нем относится ко второй половине XVIII века. Храм не имел самостоятельного прихода, так как был кладбищенский и приписан к Успенскому собору. В 1832-1839 годах на средства купца Ф. Зотова из деревянной церковь была перестроена в каменную.
В 1903 году на средства московской купчихи Крыловой она была основательно отремонтирована, поставлен новый иконостас, стены расписаны живописью. 1913 год последняя важная веха в дореволюционной истории Космодамианского храма, в этом году тщанием кирсановских купцов Якова Попова и Алексея Федорова переклали печи и перестелили полы.
В 1929 году из-за невозможности платить налог и долг по нему храм закрыли. Однако уже в 1936 году в Космодамиановском храме уже служило «тихоновское», «староцерковное» духовенство, большей частью сосланное из других городов. Осенью 1937-го года весь церковный причт храма арестовали. Среди арестованных значились, настоятель протоиерей Михаил Сошественский, иерей Владимир Гибралтарский, служил в храме псаломщиком, иерей Петр Цыпляковский, протодиакон Валериан Миролюбов и председатель церковного совета Николай Степанков. Отца Михаила Сошественского и Николая Степанкова расстреляли в местной тюрьме, отца Владимира Гибралтарского осудили на 10 лет, остальных на 8 лет заключения в исправительно-трудовые лагеря. После этого церковь вновь закрыли.
Процесс возвращения храмов в послевоенное время в Кирсановском районе был нелегким и длительным, сначала, ходатайства верующих, потом решения на местном уровне, в райисполкоме, облисполкоме, затем утверждение решений в СНК, Совет народных комиссаров, СССР и сообщение решения просителям. Первой кирсановской церковью, возвращенной к духовной жизни, стала именно кладбищенская Космодамиановская церковь. Документальное свидетельство о возвращении верующим этого храма отмечено датой 8 августа 1944 года, а открытие 1 октября 1944 года.
