Talheim liegt im Süden des Landkreises Heilbronn am Neckar. Die Gemarkung grenzt im Norden an die Großstadt Heilbronn, im Süden an Lauffen am Neckar und wird von der Schozach, einem rechten Zufluss des Neckars, durchzogen.

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Die Gemarkung Talheim war bereits in der Jungsteinzeit besiedelt. Skelett- und Keramikreste weisen auf eine Siedlung der Bandkeramiker um etwa 5000–4900 v. Chr. hin. 1983 wurden im Gewann Pfädle 34 Skelette jungsteinzeitlicher Menschen gefunden, die alle Spuren eines Kampfes aufwiesen. Dieser Kampf wurde seitdem als Massaker von Talheim bekannt, die Funde wurden mehrfach in Ausstellungen der Öffentlichkeit vorgestellt.

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Bei Voruntersuchungen für den Bau eines Feuerwehrhauses wurden außerdem die Reste eines römischen Vicus im Gewann Steinäcker gefunden, sodass auf römische Besiedlung auf Talheimer Gemarkung in der Antike geschlossen werden kann.

Der Ursprung der heutigen Besiedlung Talheims datiert auf das 6. oder 7. Jahrhundert. Die Ortsnamensendung „-heim“ deutet auf eine Gründung im Zuge der fränkischen Landnahme hin. Erstmals urkundlich erwähnt wurde Talheim im Jahr 1230. Um diese Zeit wurde auch der durch Talheim führende Handelsweg von Heilbronn nach Cannstatt zur Reichsstraße erhoben.

Sehenswürdigkeiten sind zum Beispiel das Obere Schloss, das Untere Schloss, die evangelische Kilianskirche und die katholische Wallfahrtskirche Unserer Lieben Frau.