O Templo de Rômulo foi dedicado pelo imperador romano Maxêncio ao seu filho Valério Rômulo, que morreu em 309 e foi deificado. É possível que o edifício tenha sua origem no Templo de Júpiter Estator ou no templo dedicado aos Penates e que Maxêncio o tenha apenas restaurado antes de re-dedicá-lo.

Ele foi cristianizado e dedicado aos santos Cosme e Damião em 527, depois que o rei ostrogótico Teodorico, o Grande (r. 474–526) e sua filha Amalasunta doaram o edifício da biblioteca do Fórum da Paz ("Bibliotheca Pacis") e do Templo de Rômulo ao papa Félix IV, que fundiu os dois para criar a basílica e dedicou-a aos irmãos gregos para fazer frente ao antigo culto pagão dos também irmãos Castor e Pólux, venerados no vizinho Templo de Castor e Pólux. A abside foi decorada com um mosaico bizantino representando a "parúsia", a Segunda Vinda de Cristo no Juízo Final.

Os corpos dos santos Marcos e Marceliano foram transladados para lá, provavelmente no século IX, e foram redescobertos em 1583 durante o pontificado do papa Gregório XIII.

Em 1632, papa Urbano VIII ordenou a reforma da basílica. A obra, projetada por Orazio Torriani e dirigida por Luigi Arrigucci, elevou o piso em sete metros, nivelando-o ao Campo Vaccino (como era conhecido o Fórum Romano na época), evitando o problema crônico da infiltração de água. O piso antigo ainda pode ser visto na igreja inferior, que nada mais é do que a porção inferior da igreja original. O claustro também foi construído nesta época.

Em 1947, as reformas nos Fóruns Imperiais deram uma nova estrutura à igreja. A antiga entrada, pelo "Templo de Rômulo", foi fechada e o templo foi restaurado à sua forma original; juntamente com o Panteão, é hoje o mais bem preservado templo romano em Roma. Uma nova entrada foi aberta do lado oposto (na via dei Fori Imperiali) e cujo arco dá acesso ao claustro e, através dele, à basílica por uma porta lateral.