El nombre de Talcahuano, proviene del guerrero que habitaba en la península de Tumbes: Talcahueñu (tralcam wenu), nombre mapudungun que significa "Cielo Tronador". El pueblo mapuche, que también habitaba la isla Quiriquina, nombraba a la bahía de Talcahuano con esa palabra, por lo que los españoles siguieron designando así a este sector de la costa del Océano Pacífico. Actualmente esta zona posee un gran número de lugares cuyo nombre es de origen mapuche, tales como: Caleta Chome o “tizón apagado”, Hualpén o “ver alrededor” y Lenga u “otro Ciprés”, entre otros.
Talcahuano, antes de la Conquista de Chile, formaba parte de las tierras de Arauco, habitada por mapuches, que al igual que en casi todo el sur del país, opusieron feroz resistencia al dominio hispano, conflicto que se extendió por cerca de cinco siglos.
Entre los aborígenes que habitaban la costa, en la península de Tumbes, se encontraba Talcahueñu (TRALCAM WENU) quien fue un gran guerrero que dirigió a sus huestes como un verdadero estratega. Incluso se testifica en el libro de Alonso de Ercilla; La Araucana (verso 315):
Pasó tras este luego el guerrero Talcahuano,
Que ciñe el mar su hermosa tierra y la rodea,
un mástil grueso en la derecha mano.
Cuando se consolidó el dominio de la corona hispana, fue el Gobernador Alonso de Ribera quien, percatándose de las potencialidades del puerto, unió a las dos bahías para facilitar la navegación, en abril de 1601. Fue fundado el 5 de noviembre de 1764 por disposición del Gobernador Antonio de Guill y Gonzaga, siendo declarado “Puerto de Registro Surgidero y Amarradero de Naves". Así, a mediados del siglo XVIII, se levantaron los fuertes de San Agustín y Gálvez; y su puerto fue convertido en una base naval por los españoles, como lo es hoy para los chilenos.
Fue escenario de cruentas (e ignoradas) batallas durante la independencia de Chile, como el Sitio y asalto de Talcahuano, sangrienta batalla, entre las filas patriotas se contaba al coronel Jorge Beauchef, héroe de la captura de los fuertes de Valdivia.
Según una de las teorías sobre la independencia de Chile, el acta de independencia fue redactada en el Morrillo del Cerro Perales (frente al actual estadio Gaete). Otra teoría sostiene que la acta de la independencia fue redactada en el montecillo Perales (frente al Valle San Eugenio, perteneciente a la misma comuna), en ambos casos se dice que el acta fue proclamada en la Plaza de Armas de Concepción (actual Plaza de la Independencia). Aun así, en 1820 Talcahuano precenció otro hecho de armas: el Combate Vegas de Talcahuano.
En 1931 Talcahuano fue escenario de un cruento combate ocurrido en el contexto de la denominada Sublevación de la Escuadra. El Apostadero Naval, los fuertes, las escuelas politécnicas navales, la radioestación y los astilleros fueron asaltados por tropas leales al gobierno del vicepresidente Manuel Trucco, que redujeron a la marinería rebelada y a los obreros de los astilleros que los secundaban.
A mediados de siglo, en Talcahuano empieza a surgir el llamado "polo industrial" con firmas de CORFO como; CAP, ENAP con su filial ENAP Concepción, luego Petrox y actualmente ENAP Refinerías, además de industrias más pequeñas, como OXY S.A. y AGA S.A.
A fines de la década de los años 1980, empieza a conurbarse con la ciudad de Concepción, por lo que se le empieza a dar el trato de Intercomuna Concepción-Talcahuano. Esto se ha ido afianzando con el tiempo, y actualmente se empieza a hablar de Gran Concepción, en muchos ámbitos.
En 2004 se crea la comuna de Hualpén, desprendiéndose del territorio de la comuna de Talcahuano, para descentralizar la administración del área urbana de la comuna de Talcahuano, con el fin de mejorar la gestión de los recursos en el sector suroeste de la comuna.