Rakstītajos avotos Talsu vārds (villa Talse) pirmo reizi minēts 1231. gadā, kad pāvesta vicelegāts Alnas Balduīns (vācu Baldwin von Alna, franču Baudoin d’Aulne) slēdza līgumu ar 12 vārdā nosauktiem Austrumkursas ciemiem ap Ventu un Abavu.

Talsu pilskalnu pirmo reizi zinātniskā literatūrā 1869. gadā minējis un tā aprakstu sniedzis ievērojamākais 19. gs. Latvijas pilskalnu apzinātājs Augusts Bīlenšteins (August Bielenstein), kurš atzīmēja, ka pilskalna plakums un terase tiek lauksaimnieciski izmantotas. 28.05.1923. pilskalnu apmeklēja un uzmēroja, un 1923. gadā izdevumā “Latvijas pilskalni I. Kuršu zeme” tā uzmērījumu un aprakstu publicēja pirmais un pazīstamākais neatkarīgās Latvijas pilskalnu apzinātājs Ernests Brastiņš, kurš atzīmēja, ka “tik dziļš mītņu slānis kā Talsu Klosterkalnā sastopams nedaudzos pilskalnos”. E. Brastiņš arī uzskatīja, ka tieši Klosterkalnā vēl 1290. gadā atradusies Atskaņu hronikā minētā Talsu pils (burc Talsen), kurai neveiksmīgi uzbruka lietuviešu sirotāji. 1936.–1938. gadā pilskalnā arheologa Ādolfa Karnupa vadībā notika arheoloģiskie izrakumi, kas plaši tika atspoguļoti tā laika lielākajos preses izdevumos.

Par Talsu pilskalnu pierakstītas vairākas teikas vai to versijas. Jau A. Bīlenšteins pierakstījis arī par daudziem citiem Latvijas pilskalniem bieži izplatīto teiku par pīli, kas ielaista kalna dobumā un izpeldējusi kādā tuvumā esošā upē vai ezerā – konkrētā gadījumā Talsu ezerā. Viņš minējis arī to, ka pilskalna pakājē bijuši vārti, bet pašā kalnā atradušās karātavas vai klosteris, kas nogrimis. Teiku par kalnā nogrimušo pili, kas kādā naktī ar visiem saviem iedzīvotājiem nogrimusi, pierakstījis Talsu tuvumā dzimušais rakstnieks Ansis Lerhis-Puškaitis 1883. gadā. Kalnā palicis tikai mazs skurstenim līdzīgs caurumiņš, no kura dažkārt nākuši dūmi. Pa caurumu vietējie iedzīvotāji nolaiduši virvē iesietu jaunekli, kurš pēc uzvilkšanas augšā kļuvis mēms, bet vēlāk ielaistā pīle izpeldējusi ezerā. Tajā labi peldētāji atraduši ēkai līdzīgu akmeni un neatveramus dzelzs vārtus tā tuvumā. Domājams, vairāk pie literāriem darbiem, nevis teikām pieskaitāma arī A. Lerha-Puškaiša 1894. gadā žurnālā “Austrums” publicētā teika “Nārone” par Talsu pilskalnu un Dzirciema lielo purvu.

Vēlāk pierakstītas arī citas teiku versijas gan par caurumu, gan dzelzs durvīm, aiz kurām bijušas telpas ar zelta un sudraba traukiem, kā arī par pili sargājošo zelta putniņu un pie pilskalna dienvidu gala bijušās rijas redzētajiem maziem, sarkanos svārkos tērptiem vīriņiem.

Talsu pilskalns ierīkots ap 30 m augstā (virs ezera līmeņa, 91 m virs jūras līmeņa) paugurā, kura rietumu daļā ir Talsu ezers, bet pārējās nogāzes nostāvinātas ap 8 m augstas. Izlīdzinātais plakums ir ap 60 x 55 m liels, tā dienvidu galu aizsargā 5–7 m augsts valnis. Ieeja atradusies vaļņa rietumu pusē. Plakuma ziemeļu daļā kā paliels uzkalns izceļas arheoloģisko izrakumu laikā izraktās zemes. Šo mulsinošo uzkalnu, kas neatbilst pilskalna plakuma sākotnējam reljefam, nākotnē būtu vēlams izlīdzināt. Visapkārt pilskalnam, ap 6 m zem plakuma, sniedzas terase, kas ziemeļu daļā pāriet ap 30 m platā un 80 m garā izlīdzinātā priekšpils vietā.

Uz ziemeļiem no pilskalna, starp tagadējām Saules, K. Mīlenbaha un Ūdens ielām ap 4 ha platībā atradusies senpilsēta, kuras teritorijā mūsdienās atrodas jaunāko laiku apbūve.

Kopš 2013. gada izveidota t. s. Talsu ezera promenāde – koka laipa, kas ved apkārt Talsu ezeram, gar pilskalna pakāji uz Ūdens ielu. Pie promenādes, pilskalna ziemeļrietumu pakājē izvietots koka stends ar informāciju par pilskalnu.

Talsu pilskalns ir līdz šim plašāk pētītais nocietinājums Ziemeļkurzemē. Laikā no 1936. līdz 1938. gadam arheoloģiskajos izrakumos Ā. Karnupa vadībā šeit tika izpētīta nedaudz vairāk kā 400 m² liela platība, kas ir gandrīz desmitā daļa no visa pilskalna platības. Kopumā tika iegūtas vairāk nekā 4500 senlietas (neskaitot māla trauku lauskas, dzīvnieku kaulus un citus masveida atradumus). Izrakumi liecināja, ka pilskalns apdzīvots no 10. gs. līdz 14. gs., un tajā izsekojami deviņi apbūves periodi. Jau 10. gs. pilskalns nocietināts ar blīviem akmeņu klāstiem, virs kuriem pacēlusies divkārša guļkoku aizsargsiena 2–4 m platā joslā. Gar to arī bijušas izvietotas dzīvojamās mājas.

Lielas pārbūves pilskalnā notikušas sākot ar 11. gs., kad paaugstināti aizsargvaļņi, ar torņveida izbūvēm nodrošināta ieejas vieta un nostiprināta guļkoku nacietinājumu līnija. Ēkas šajā laikā izvietotas daudz blīvāk, konstatētas arī divtelpu celtnes. Šajā laikā ēku stūros atrod arī kuršiem raksturīgos dzīvnieku (īpaši zirgu) galvaskausu ziedojumus. Aizsargceltnes, kā arī dzīvojamo ēku sienas (acīmredzot, lai mazinātu aizdedzināšanas iespējas) bijušas apmestas ar māliem. Spriežot pēc sestajā apdzīvotības kārtā atrastajām apbūves paliekām var secināt, ka pilskalna intensīvākajā apdzīvotības periodā tā plakumā aptuveni uz 50–60 m² atradusies viena ēka. Vismaz puse no tām bijušas dzīvojamās ēkas. Pēc Eiropas demogrāfu pētījumiem tiek uzskatīts, ka agrajos viduslaikos vienā ģimenē vidēji bija seši cilvēki, līdz ar to hipotētiski pieļaujams, ka Talsu pilskalnā vienlaikus varēja uzturēties ap 200 cilvēku, bet kopā ar senpilsētu, kurā apdzīvotība gan nebija tik blīva kā pilskalnā, 12.–13. gs. Talsos varēja dzīvot 500–600 cilvēku.

Talsu pilskalna senlietu materiāls devis daudz liecību par tā iemītnieku augsto amatniecības līmeni, zemkopību, lopkopību. Par tirdznieciskām aktivitātēm liecina atrastās 29, pārsvarā Rietumeiropā kaltās monētas. Agrākā no pilskalnā atrastajām monētām ir 10. gs. pirmās puses Samanīdu dirhēms, bet jaunākā ir Vācu ordeņa Livonijā 15. gs. brakteāts.

Spriežot pēc tā, ka līdz 11. gs. senlietu materiālā dominē Baltijas somiem raksturīgās formas, domājams, ka līdz šim laikam pilskalnu apdzīvojuši Baltijas somi, iespējams, vendi. Par to liecina arī kāds 1898. gadā pilskalna pakājē atrasts bagātas sievietes apbedījums ar senlietām: uz krūtīm divas rotadatas ar važturos iekārtu trīskārtīgu važiņu rotu ar piekariņiem, uz rokām divas 13 viju spirālaproces un divi spirālgredzeni. Tuvumā atrastas piecas stikla kreļļu virknes, vairākas bronzas spirālītes un ar bronzas skārdu apkalta dunča maksts.

1992.–1993. gadā arheologu Jāņa Asara un Aiņa Toras vadībā notika pārbaudes izrakumi arī senpilsētas teritorijā, kur vietām konstatēts līdz 1,7 m biezs kultūrslānis. Tika atsegtas divu dažādu apdzīvotības posmu guļbūves celtņu fragmentu paliekas, no kurām vienā, iespējams, atradusies rotkaļa darbnīca. Izrakumos atrastās senlietas pārsvarā saistītas ar sadzīvi un amatniecību (naži, īleni, slīmesti, kaula adatas, dažādi bronzas atgriezumi), mazāk rotaslietu un ieroču. Spriežot pēc atradumiem, senpilsēta pilskalna pakājē sākusi veidoties ne agrāk kā 11./12. gs. mijā – laikā, kad šajā novadā jau sāka dominēt kurši, un tā bijusi apdzīvota vismaz līdz 15. gs. Uz senpilsētas teritoriju attiecināms kāds ar 1421. gadu datēts dokuments, kurā minēts Talsu “pilsāts” (pilsaten to Talsen).

Par Talsiem kā nozīmīgu sava laika centru liecina arī citu senvietu koncentrācija pilskalna apkārtnē. Iespējams, ka pilskalnam atbilstoša kulta vieta atradusies pārsimts metru ziemeļrietumos no tā, kalnā, kur 16. gs. uzcelta pirmā Talsu mūrētā baznīca, ap kuru viduslaikos atradusies arī kapsēta. Kāda cita iespējama viduslaiku kapsēta atradusies ap 500 m austrumos no pilskalna –Tiguļu kalnā –, kur pēc ziņām, ierīkojot dārzu (stādot kokus), uzrakti cilvēku kauli. Par Talsu pilskalnam atbilstošu apbedījumu vietu uzskatāms ap 800 m ziemeļrietumos esošais Vilkumuižas ezers, kurā kopumā atrastas vairāk nekā 3 tk 11./12.–14./15. gs. kuršu ugunskapiem raksturīgas senlietas. Līdz šim tika uzskatīts, ka mirušo kremētie pīšļi kopā ar priekšmetiem apzināti nogremdēti ezerā, tomēr jaunākie arheoloģes Ingas Doniņas pētījumi liecina par ezera līmeņa svārstībām, kuru rezultātā veidojusies krasta erozija un daļa apbedījumu ieskaloti ezerā, vai arī kapulauks ierīkots ezera krastā, bet ceļoties ūdens līmenim, tas applūdis.

500 m ziemeļrietumos no pilskalna atrodas t. s. Dzirnavu kalns – Vācu ordeņa Livonijā mūra pils vieta. Rakstītajos vēstures avotos pils pirmo reizi minēta 1434. gadā. Tā pastāvējusi līdz 17. gs. vidum, bet vēlāk kalnā tika uzceltas dzirnavas, no kā cēlies arī kalna tagadējais nosaukums.

Plaša sabiedrības interese par Talsu pilskalnu radās 20. gs. 30. gadu beigās, Ā. Karnupa vadīto arheoloģisko izrakumu laikā. Toreiz izrakumus apmeklēja arī augstas valsts amatpersonas un ārzemju speciālisti. Arī mūsdienās, jo īpaši pēc Talsu ezera promenādes izveides, tas ir nozīmīgs Talsu pilsētas un visas Ziemeļkurzemes apskates objekts.