Talheim ist eine Gemeinde im Landkreis Heilbronn in Baden-Württemberg. Sie gehört zur Region Heilbronn-Franken (bis 20. Mai 2003 Region Franken) und zur Randzone der europäischen Metropolregion Stuttgart. 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. Nordöstlich des Ortes befindet sich der 285 m hohe Haigern, welcher neben dem südöstlich gelegenen 304 m hohen Sonnenberg die höchste Erhebung auf Talheimer Gemarkung ist. Die tiefste Stelle auf Talheimer Gemarkung liegt am Neckar auf 116,3 m.