Die Gemarkung Talheim ist bereits seit der Jungsteinzeit besiedelt. Skelett- und Keramikreste weisen Siedelungen etwa 4000-5 Tausend vor Chr. nach. Die Ortsnamenendung -heim deutet auf eine fränkische Gründung des 6. oder 7. Jahrhunderts nach Chr. hin. Erstmalig urkundlich erwähnt wurde Talheim in dem Jahr 1230.

Die malerische Kulisse rund um die Gemeinde bilden die Weinberge, auf denen der weithin bekannte Wein angebaut wird. Besondere historische Sehenswürdigkeiten sind unter anderem die Talheimer Burg, die um das Jahr 1180 erbaut wurde. Das "Untere Schloss" ("Frauenbergsche Schlösschen", 1766 - 1780 von Philipp von Gemmingen erbaut), das idyllisch in einem Garten versteckt liegt. Beachtenswert sind außerdem die evangelische Kirche, deren älteste Ursprünge vermutlich auf einen alten römischen Wachtturm zurückgehen, und die katholische Kirche mit einer alten Madonnenstatue aus dem 14. Jahrhundert.

Neben diversen, teils bedeutenden Industrieansiedelungen ist Talheim für seine Weine bekannt, die aus der Winzergenossenschaft Flein-Talheim stammen.

Das Wappen der Gemeinde zeigt nachweisbar seit 1550 eine aus dem hinteren Schildrand hervorbrechende Hand mit dem auf den Weinbau hindeutenden Rebmesser (Hoape; häufig als Sichel fehlinterpretiert).