Em 1700, a área onde hoje se situa a cidade de Serra Talhada era uma fazenda de criação, pertencente ao português Agostinho Nunes de Magalhães. A propriedade era chamada de Serra Talhada, em virtude da forma de uma montanha existente nas proximidades, de formação granítica, tendo uma de suas vertentes com a aparência de ter sido cortada a prumo. Com o auxílio do povo, Agostinho Nunes ergueu uma igreja sob a invocação de Nossa Senhora da Penha, doando-lhe patrimônio. Com a construção da igreja e, ainda, pelo fato de encontrar-se o local no centro de várias estradas que se cruzavam, tais como a da Ribeira do Pajeú, a do Cariri Novo (CE), a do Piancó (PB), entre outras, além da facilidade de obtenção de água, logo se formou um núcleo de povoação que cresceu gradativamente.

O povoado tornou-se distrito pela Lei Provincial nº 52, de 18 de abril de 1838, com a denominação de Vila Bela, integrando o município de Flores. A mesma lei erigiu em freguesia a capela de Nossa Senhora da Penha da Serra Talhada, em Pajeú de Flores. A freguesia foi provida canonicamente e instalada pelo padre Félix Marques Bacalhau, seu primeiro vigário (o Calendário Oficial de Datas Históricas dos Municípios de Pernambuco registra essa lei com a data de 19 de abril).

Em 06 de maio de 1851 a Lei Provincial nº 280 elevou o distrito à categoria de vila, com a denominação de Vila Bela, desmembrada de Flores. Essa mesma lei extinguiu o município de Flores e transferiu a sua sede, bem como a da comarca de Pajeú de Flores, para a então criada Vila Bela, que foi instalada no dia 09 de setembro do mesmo ano. O município de Flores foi restaurado pela Lei Provincial nº 437, de 26 de maio de 1858. Em 07 de junho de 1872 a Lei Provincial nº 1.057 criou a comarca de Vila Bela, constituída do termo do mesmo nome e do município de Triunfo. O primeiro juiz que atuou nessa comarca foi Joaquim Gonçalves Lima. Vila Bela tornou-se município autônomo com base nas disposições gerais da Lei Estadual nº 52 (Lei Orgânica dos Municípios), de 03 de agosto de 1892. Seu primeiro prefeito foi Andrelino Pereira da Silva, o barão do Pajeú.

Em 1º de julho de 1909 a Lei Estadual nº 991 elevou a sede do município à categoria de cidade. Em divisão administrativa referente ao ano de 1911 o município é formado por três distritos: Vila Bela, São Francisco e Barro Vermelho (os dois últimos criados em 20 de abril de 1892, através de lei municipal). O distrito de Barro Vermelho foi extinto em 31 de dezembro de 1917, pela Lei Municipal nº 43, e recriado em 1º de fevereiro de 1918. Em 10 de junho de 1916 a comarca de Vila Bela foi extinta, passando a ser termo judiciário de Triunfo, por disposição da Lei Estadual nº 1.315/16, sendo restaurada no dia 06 de junho de 1922, pelo Decreto nº 132. Atualmente é comarca de 2ª entrância. Em 1933 o município aparece com três distritos: Vila Bela, São Francisco e São João do Barro Vermelho (ex-Barro Vermelho). Em divisões territoriais datadas de 31 de dezembro de 1936 e 31 de dezembro de 1937 o município aparece acrescido de mais um distrito, o de Sítios Novos, criado em 1934.

Pelo Decreto-lei Estadual nº 235, de 09 de dezembro de 1938, a comarca, o município e o distrito de Vila Bela passaram a denominar-se Serra Talhada. Pelo mesmo decreto o distrito de Sítios Novos passou a denominar-se Bernardo Vieira, o de São João do Barro Vermelho passou a Tauapiranga e o de São Francisco passou a Pajeú. O Decreto-lei Estadual nº 336, de 15 de junho de 1939, confirmou a mudança de denominação de Vila Bela para Serra Talhada. No quadro fixado para vigorar no período 1944-1948 o município é constituído de quatro distritos: Serra Talhada (ex-Vila Bela), Bernardo Vieira (ex-Sítios Novos), Pajeú (ex-São Francisco) e Tauapiranga (ex-São João do Barro Vermelho). A Lei Municipal nº 24, de 02 de dezembro de 1948, criou os distritos de Caiçarinha da Penha e Luanda (desmembrados do distrito-sede), integrados ao município de Serra Talhada.

Em divisão territorial datada de 1º de julho de 1950 o município aparece com seis distritos: Serra Talhada, Bernardo Vieira, Caiçarinha da Penha, Luanda, Pajeú e Tauapiranga. A Lei Estadual nº 4.941, de 20 de dezembro de 1963, desmembrou o distrito de Bernardo Vieira, o qual foi elevado à categoria de município, posteriormente extinto em 03 de agosto de 1964 por acórdão do Tribunal de Justiça, mandado de segurança nº 56.933, sendo seu território reanexado a Serra Talhada. Posteriormente foram criados mais três distritos: Santa Rita (Lei Municipal nº 686) e Varzinha (Lei Municipal nº 687), no dia 31 de janeiro de 1989, e Logradouro (Lei Municipal nº 800), em 25 de outubro de 1991. Em divisão territorial datada de 15 de julho de 1999 o município aparece com nove distritos: Serra Talhada, Bernardo Vieira, Caiçarinha da Penha, Logradouro, Luanda, Pajeú, Santa Rita, Tauapiranga e Varzinha.