В писцовых книгах 1627-1628 гг. сообщается, что церковь Космы и Домиана является вотчиной Рождественского девичьего монастыря.

По документам Коллегии экономии, «в 1701 г. в селе Меткине церковь сгорела» и на ее месте «была построена деревянная часовня, крытая дранью». Из клировых ведомостей 1838 г. известно, что храм был бедный, «утварь посредственна». В 1840 г. произошло знаменательное событие, повлиявшее на дальнейшую судьбу храма. 9 марта 1840 г. солдатская вдова Авдотья Евдокимова передала свое родное село Меткино образ Пресвятой Богородицы «Живоносный Источник». С этого времени в Космодамианскую церковь начал стекаться народ на молитву у образа Богоматери, источавшего исцеления.

Пожертвования многочисленных богомольцев позволили в 1847 г. заложить по проекту Елецкого новую церковь и колокольню. Кирпичное с белокаменной отделкой здание объединяет черты позднего классицизма и псевдорусского стиля. В 1850-х гг. устроили иконостас, тогда же отделали теплые приделы. Главная холодная церковь была освящена в 1866 г.

В храме служили протоиерей Петр Федорович Розанов и диакон Павел Любимов, ставшие во время гонений на Церковь священноисповедниками. После их ареста в феврале 1930 г. церковь была закрыта и разорена. В разное время использовалась под склад для удобрений, скотный двор и мастерскую, где валяли валенки.

В конце июля 1941 г. в Меткино приехала блаженная Матрона. Она поселилась недалеко от храма в доме Е.П. Разживаловой.

В 1991 г. полуразрушенный храм был возвращен верующим. Начались реставрационные работы.