Le nom de cet ancien bourg de colline, situé au centre de la vallée du Marecchia, vient de Thalamos (grottes, habitations). Ses origines sont antérieures au IX siècle ; il fut propriété de la famille des Della Faggiola, puis de celle des Malatesta qui en firent l'une de leurs forteresses pendant les conflits qui les opposaient aux Montefeltro (XV siècle).
Initialement, en 1860, lors de l'unification de l'Italie, Talamello fut rattachée à la région des Marches (province de Pesaro et Urbino). Ce n'est que tout récemment, le 15 août 2009, qu'elle en a été détachée, conjointement avec six autres communes du Haut-Valmarecchia, en application des résultats d'un référendum tenu les 17 et 18 décembre 2006, pour être rattachée à l'Émilie-Romagne. Sur cette modification territoriale, pourtant pleinement entrée en vigueur, a pesé jusqu'au 10 jullet 2010 le recours de la région des Marches devant la Cour constitutionnelle, qui l'a rejeté pour inadmissibilité, vue son absence de fondement, non ayant été violée ou enfreinte acune loi.