Erstmals wird Talheim in einer Schenkungsurkunde des Klosters Reichenau im Jahre 973 erwähnt. Die Geschicke des Ortes wurden bis an die Schwelle der Neuzeit durch die Grafen von Lupfen bestimmt. Der Hohenlupfen, auf der hiesigen Markung gelegen, trug bis zur Zerstörung durch die Reichsstadt Rottweil eine der stattlichsten Burgen Württembergs. Die Herren von Lupfen hatten Besitztümer in der Gegend von Herrenberg bis in die Schweiz und waren auch die Gründer des Klosters Offenhausen bei Münsingen. Besonders seit der Heirat eines Lupfengrafen mit einer Stühlinger Landgräfin erlangte das Geschlecht Bedeutung und besetzte höchste Ämter im damaligen Kaiserreich. Nach dem Aussterben des hiesigen Geschlechts kam der Lupfen mit Talheim und anderen zugehörigen Dörfern durch Kauf 1444 an Württemberg.

Seit 1911 krönt ein Aussichtsturm des Schwäbischen Albvereins den Gipfel. Vom 1.000 m hoch gelegenen obersten Stockwerk des Turms bietet sich ein Rundblick zur Alb, zum Schwarzwald, zum Bodensee und bei günstigem Wetter bis zu den Alpen.

Der Burgstall „Reifenberg“ an der Straße nach Esslingen zeigt heute noch den Wehrgraben. 1704 wurde das Dorf im Spanischen Erbfolgekrieg durch französische Truppen geplündert und niedergebrannt. Ein Großbrand im Jahre 1848 vernichtete 42 Häuser.

Die Kirche, erstmals als St. Aegidius erwähnt, später der hl. Brigitte geweiht, war ehemals dem Kloster Reichenau, später dem Bistum Konstanz unterstellt. Als württembergische Ortschaft wurde Talheim in der ersten Hälfte des 16. Jahrhunderts evangelisch. Im Pfarrhaus, früher eine Nonnenklause, lebte von 1813 bis 1828 die durch ihre wunderbaren Gebetserhörungen bekannt gewordene Pfarrersfrau Beate Paulus.

Talheim ist verhältnismäßig gut mit privaten und öffentlichen Einrichtungen ausgestattet. Eine besondere Zierde des Dorfes sind das „Ochsenbeckenhaus“, ein reich gestaltetes Fachwerkhaus im Renaissance-Stil, und die „Alte Schmiede“, ein Handwerkerhaus mit Blockwänden. Im „Schneckenburgerhaus“, das heute eine als Museum eingerichtete Heimatstube birgt, wurde 1819 Max Schneckenburger, der Dichter der „Wacht am Rhein“, geboren. Sein Grabmal befindet sich auf dem Friedhof.

Die Gemeinde Talheim hat sich während der Gemeindereform als selbständige Gemeinde behauptet. Entsprechend dem Willen des Gesetzgebers wurde Talheim am 1. Januar 1975 in die Stadt Trossingen zwangseingemeindet. Am 1. April 1976 entschied der Staatsgerichtshof in Stuttgart auf Antrag Talheims, dass diese Eingemeindung verfassungswidrig sei und hob sie auf.
Die Gemeinde Talheim hat sich während der Gemeindereform als selbständige Gemeinde behauptet. Entsprechend dem Willen des Gesetzgebers wurde Talheim am 1. Januar 1975 in die Stadt Trossingen zwangseingemeindet. Am 1. April 1976 entschied der Staatsgerichtshof in Stuttgart auf Antrag Talheims, dass diese Eingemeindung verfassungswidrig sei und hob sie auf. Am 30. Januar 1977 erfolgten die Wahlen für die Organe der nun wieder selbständigen Gemeinde Talheim.

Durch die Nähe zur Autobahn Stuttgart-Bodensee und die B 523, die durch die hiesige Gemarkung geht, ist Talheim bestens an das überörtliche Verkehrsnetz angebunden. Der Ort hat sich zunehmend zu einer Wohngemeinde für Arbeitnehmer, die zum kleineren Teil im Ort selbst und zum größeren Teil in den Nachbarstädten Tuttlingen, Schwenningen und Trossingen beschäftigt sind, entwickelt.

Die Landwirtschaft hat in Talheim noch eine größere Bedeutung. Rund 10 Vollerwerbsbetriebe und weitere 10 Nebenerwerbsbetriebe bewirtschaften nicht nur die Gemarkung von Talheim, sondern auch eine große Fläche in den Nachbargemeinden. Die in den Jahren 1974 bis 1999 in Talheim durchgeführte Flurbereinigung brachte der Gemeinde ein neues Feld- und Waldwegenetz und zahlreiche Dorfentwicklungsmaßnahmen.

Die Grundschule, im Zuge der Schulreformen aufgelöst, kehrte zum 01.09.1998 wieder – zur Freude der ganzen Einwohnerschaft – ins Dorf zurück und kann heute mit vier Jahrgangsklassen geführt werden.

Viele rührige Vereine wirken am Dorfgeschehen mit. Besonders positive Impulse für das Vereinsleben ergaben sich durch den Bau einer Festhalle und einer Sporthalle in den Jahren 1992 und 1993. Gerade die neue Sporthalle hat die Stellung Talheims als Handballhochburg wieder gefördert.

Für den Fremdenverkehr gibt es dank der reizvollen Landschaft mit ihrer guten Höhenluft und der zentralen Lage zwischen Schwarzwald, Bodensee und Alb mit Donautal gute Ansätze. Gepflegte Gasthöfe und private Fremdenzimmer bieten Gelegenheit zu preiswerten und erholsamen Urlaubstagen.