Le prime notizie che si hanno su Talamone, parlano di un antico nucleo etrusco, Tlamu, che sorgeva nei pressi del colle di Talamonaccio. A questo periodo (IV sec. a. C.) risale il tempio di talamonaccio di cui oggi rimangono resti delle fondamenta e lo splendido Frontone di Talamone rappresentante il mito dei "Sette con Tebe" (opera di Eschilo 467 a. C.).
Nel 225 a.C. a Talamone, precisamente in località Poggio Ospedaletto, venne combattuta la battaglia tra Romani e Galli. I Galli erano composti da un'alleanza fra varie popolazioni, avevano a capo i re Concolitano e Aneroesto, ed avevano come obiettivo quello di unirsi alle truppe cartaginesi per marciare su Roma. I due eserciti però non riuscirono ad incontrarsi poiché i romani, comandati da Gaio Atilio Regolo e Lucio Emilio Papo, annientarono i Galli nella battaglia di Talamone dove persero la vita anche il re Aneroesto ed il console Gaio Atilio Regolo. Talamone successivamente viene ricordato in riferimento all'aiuto che dette a Mario, di ritorno dal suo esilio africano per organizzare un esercito e marciare contro Silla. Aiuto che Talamone pagò a caro prezzo, dal momento che fallito il tentativo di Mario, le truppe dello stesso Silla rivolsero la loro ferocia contro coloro che avevano aiutato il suo rivale, e Talamone con i suoi abitanti fu completamente annientata nell'82 a.C.
Per molti anni successivi di Talamone non si ha più traccia nelle fonti storiche. Bisogna attendere fino all'anno 1000 circa, quando il suo porto fu acquistato dall'abbazia di San Salvatore, e passò successivamente sotto il controllo degli Aldobrandeschi di Santa Fiora. In questo periodo venne eretta la Rocca a difesa del porto. Nel 1303 Gli Aldobrandeschi concessero alla repubblica di Siena una serie di diritti sul porto, in cambio dell'ampliamento della Rocca. Dal 1356 al 1364 Talamone conobbe un effimero momento di prosperità, divenne infatti il porto commerciale di Firenze e in base ad un trattato tra Siena e Firenze, la Repubblica si impegnava a mettere a disposizione il porto ai mercanti fiorentini, e a curare la manutenzione della strada che attraverso Paganico conduceva a Siena e a Firenze, badando che lungo il tragitto ci fossero alberghi e cambi di cavalli. Successivamente con il riavvicinamento tra Firenze e Pisa, Talamone perse di importanza.
Il 3 giugno del 1367 Papa Urbano V (200° Papa della chiesa cattolica) si fermò con le sue navi (23 galee) a Talamone, durante il viaggio di rientro a Roma dopo il periodo avignonese. La sede papale tornava a Roma dopo ben 58 anni anche se non fu il rientro definitivo, poiché nel 1370 nuove rivolte costrinsero il Papa a tornare ad Avignone. La cattività avignonese si concluse definitivamente solo nel 1377.
Tra il 1410 e il 1414 Talamone divenne dominio del re di Napoli Ladislao di Durazzo, nel 1526 fu conquistato da Andrea Doria.
Nella storia di Talamone non possiamo omettere di ricordare l'ammiraglio Bartolomeo Peretti (1504-1544). Vissuto nel periodo in cui il mar tirreno era infestato dai pirati barbareschi, ebbe un ruolo di primissimo piano nella difesa di Talamone e di tutta la Cristianità, arrivando ad inseguire e sconfiggere i mori anche nelle loro più temute roccaforti. Venne talmente odiato dai suoi nemici corsari, che dopo la sua morte, durante l'ennesima incursione su Talamone, gli uomini di Khair ad-din Barbarossa ne cercarono la tomba ed oltraggiarono i resti mortali del suo corpo.
Nel 1548 Pietro Cataneo fu incaricato dalla Repubblica di Siena di restaurare le fortificazioni di Talamone per resistere alle scorrerie piratesche, ma nel 1557 il territorio fu ceduto dalla Spagna a Cosimo I dei Medici, e Talamone andò a far parte dello stato dei Presidi. Nel 1802 passò al costituendo Regno d'Etruria. Nel 1815, con il trattato di Vienna, andò a far parte del Granducato di Toscana. E nel 1860 fu annesso al Regno d'Italia. Sempre nel 1860 Garibaldi fece scalo a Talamone durante la spedizione dei mille per rifornirsi di acqua ed armi
