Vēsture Talsu pirmsākumi meklējami kuršu un lībiešu apdzīvotajā teritorijā 10.–12. gs., kad veidojās nocietinātas apdzīvotas vietas. Arheoloģiskie izrakumi Talsu pilskalnā un senlietu atradumi Vilkmuižas ezera dzīlēs liecina, ka sākotnēji šo teritoriju apdzīvoja lībieši, bet vēlāk novadā ieceļoja kurši. No 10. līdz 14. gs. otrajai pusei, saskaņā ar arheoloģiskajiem pētījumiem, Talsu pilskalnā atradās stipri nocietināta kuršu pils un senpilsēta. Vēstures avotos Talsi pirmo reizi minēti 1231. gadā, kad Romas pāvesta vicelegāts Balduīns no Alnas (vācu Baldwin von Alna, franču Baudoin d’Aulne) noslēdza līgumu ar 12 Austrumkursas ciemiem. Talsi tika raksturoti kā Vanemas zemes ciems. 1253. gadā Talsi nonāca Livonijas ordeņa Kandavas fogtejas teritorijā, Dzirnavu kalnā tika uzsākta mūra pils celtniecība. Darbi tika pabeigti 1434. gadā. 1291. gadā Talsi pieredzēja īslaicīgu žemaišu iebrukumu. Ordeņa pārvaldība 1422. gadā minētajā Talsu miestā (pilsahten to Talsen) sekmēja muižu saimniecisko darbību, amatniecību un tirdzniecību. Talsu fogta pils pastāvēja līdz 1561. gadam, un Talsus aptverošā ordeņa teritorija ziemeļrietumos robežojās ar Kurzemes bīskapiju. Straujāku attīstību Talsi piedzīvoja Kurzemes un Zemgales hercogistes hercoga Jēkaba (Jakob Kettler) valdīšanas laikā, kad 1647. gadā tika dibināta dzelzs kausēšanas manufaktūra.
Talsos lielus satricinājumus izraisīja Poļu–zviedru karš (1600–1629), 1657. gada mēris, 1659. gada zviedru postījumi ordeņa pilī, Lielais Ziemeļu karš (1700–1721), mēris 1710. gadā un pilsētas ugunsgrēks 1733. gadā.
Talsu vecpilsēta veidojās 18. gs. beigās un 19. gs. ar jauktu tirdzniecības, rūpniecības, amatniecības un dzīvojamo ēku apbūvi ap Lielo, Ūdens, Kalēju, Dzirnavu, Kalna un Laidzes ielu pilsētas pakalnos starp Talsu un Vilkmuižas ezeriem. Pēc Kurzemes un Zemgales hercogistes pievienošanas Krievijas impērijai 1795. gadā Talsos sāka pieaugt iedzīvotāju skaits un uzplaukt saimnieciskā dzīve. 18. gs. beigās ebreji ieguva atļauju apmesties uz dzīvi Talsos un deva nozīmīgu pienesumu pilsētas ekonomiskajā un sociālajā apritē. 1812. gadā Talsus un citu Kurzemes teritoriju īslaicīgi okupēja Francijas imperatora Napoleona Bonaparta (Napoléon Bonaparte) armija. 1819. gadā Talsi kļuva par pilskunga tiesas (Hauptmannschaft Talsen) centru, kas bija pakļauts Tukuma virspilskungam. 1829. gadā no Kandavas uz Talsiem tika pārceltas administratīvās iestādes – tajās notika svarīgas vietējās muižniecības sanāksmes, kas pilsētiņai sniedza nelielu izaugsmi.
19. gs. vidū Talsos bija 1000 iedzīvotāju, 70 māju, luterāņu baznīca vācu un latviešu draudzēm, sinagoga, tirgotavas, darbnīcas, dzirnavas, Hencelta viesnīca (Henzelt Gasthaus), alus brūži un sazarots ceļu tīkls satiksmei ārpus Talsiem. 1870. gadā parādījās ielu bruģējums, 1884. gadā – pirmās laternas. 1886. gadā Talsos bija jau 3000 iedzīvotāju un Lejastalsos veidojās jauns pilsētas centrs. 1863. gadā šeit sāka darboties pirmā privātā elementārskola, 1873. gadā – Talsu miesta privātā apriņķa skola, kuru vadīja valodnieks Kārlis Mīlenbahs. Sāka darboties pirmās Bergeru tirdzniecības uzņēmuma telefona līnijas. 1894. gadā Talsiem piešķīra ierobežotas pilsētas tiesības. Pirmā kino izrāde Talsos notika 1902. gadā.
Talsi smagi cieta 1905. gada revolūcijas laikā, kad notika Talsu bruņotā sacelšanās un kaujas ar soda ekspedīciju. Talsos uzceltais Latviešu biedrības nams (1913) veicināja vietējo teātra, dejas, mūzikas un mākslas dzīvi; Ezera laukumā izveidojās tirgus. Pilsēta bija daudzkonfesionāla – darbojās evaņģēliski luteriskā, baptistu, pareizticīgo baznīca un sinagoga –, notika nedēļas un gada tirgi.
Pirmais pasaules karš iedragāja pilsētas attīstību, strauji samazinājās iedzīvotāju skaits. Kara resursu apgādei caur Talsiem tika uzbūvēts šaursliežu dzelzceļa tīkls (Stende, Mērsrags, Roja, Dundaga, Mazirbe, Ventspils). Lai arī Talsi 1917. gadā ieguva pilsētas tiesības, 1919. gada padomju varas, bermontiešu un landesvēra kara darbība aizkavēja pilsētas atjaunošanos. 1919. gadā Talsos un apriņķī tika nodibināta pirmā vidusskola.
Nosacīts uzplaukuma periods Talsos sākās 20. gs. 20.–30. gados pēc Latvijas valsts nodibināšanas. Attīstījās tautsaimniecība: lauksaimniecības un mežrūpniecības produktu pārstrāde, tirdzniecība, amatniecība, pakalpojumu sfērā – drēbnieku, kurpnieku, adītāju, frizieru un galantērijas nozare, kā arī seglinieki, namdari, galdnieki, mūrnieki, krāsotāji, jumiķi. Darbojās maiznīcas, pienotavas, krejotavas, viesnīcas, traktieri, brūži, pārtikas preču tirgotavas un tipogrāfijas.

Friča Priekkalna drēbnieku darbnīca. Talsi, 1934. gads.
Fotogrāfs nezināms. Avots: Latvijas Nacionālā bibliotēka.
Talsus pārvaldīja Talsu pilsētas valde un pilsētas galva; darbojās komisijas, tiesu iestādes, notārs, policijas iecirknis. Izglītību nodrošināja Talsu Valsts ģimnāzija, Talsu pilsētas pamatskola, Talsu Valsts mājturības skola, Talsu vācu pamatskola, Talsu ebreju pamatskola. Pilsētā darbojās vairākas bibliotēkas, grāmatu veikals, ārstniecības un veterinārās iestādes, aptiekas. Pilsētā bija 478 dzīvojamās ēkas (mūra – 183, koka – 248, jauktas – 47), lielākoties vienstāvu un divstāvu būves, 1511 dzīvokļu (istabu skaits: 1–6 istabas un vairāk), daudzos bija elektrība, dažos – ūdensvads. 1935. gadā Talsos bija 4116 iedzīvotāju (no tiem latvieši – 82 %, ebreji – 12 %, vācieši – 3,5 %, pārējās tautības – 2,5 %). Darbojās pasts, telegrāfs, telefonu tīkls, dzelzceļa stacija (atjaunota 1930. gadā; ēka vēlāk pārveidota par autoostu), kinoteātris “Auseklis”. Talsos aktīva bija sabiedriskā dzīve, sports (īpaši vieglatlētika un futbols); darbojās vairākas biedrības.
Pilsētu un tās iedzīvotāju dzīvi būtiski izmainīja padomju okupācija un vācu okupācija. Padomju otrreizējās okupācijas laikā 1949. gadā apriņķi tika likvidēti un Talsi kļuva par rajona centru. 50. un 60. gados tika sākta parku un skvēru izbūve. 1959. gadā pirmā tika noasfaltēta Brīvības iela, 1960. gadā – atklāts moderns platekrāna kinoteātris “Auseklis”, uzsākta Sauleskalna brīvdabas estrādes būvniecība 5000 skatītājiem. 1965. gadā tika uzcelts lielākais uzņēmums – metālapstrādes rūpnīca “Talsi” – un jauns universālveikals “Kursa”. Līdz 1967. gadam kursēja šaursliežu mazbānītis. 1971. gadā tika apstiprināts Talsu pilsētas ģenerālplāns, un 1972. gadā sākās Jauntalsu apbūve. 1975. gadā tika atklāta 2. vidusskola un jaunā viesnīca, savukārt 1976. gadā – Talsu administratīvais centrs. 1980. gadā tika atvērts sporta nams un Andreja Pumpura, Dundagas, Rīgas un Darba ielas rajonā uzbūvētas daudzstāvu mājas. Neatkarības atjaunošanas laikā pēc 1990. gada pilsētā notika pāreja uz demokrātiskas pārvaldības un tirgus ekonomikas principiem, tika uzcelta Adventistu baznīca un rekonstruēta Romas katoļu baznīca.