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.