Bereits in der Jungsteinzeit war Kirchheim besiedelt. Dies belegen Funde ebenso Hinweise auf Besiedlungen durch Kelten und Römer geben. Anhand der ausgegrabenen alemannischen Reihengräberfriedhöfe Rückschlüsse auf drei alemannische Urdörfer gezogen werden.
Die ersten urkundlichen Erwähnungen von Kirchheim auf das Jahr 960 . Die Ortsteile Jesingen ( 769 ) Nabern ( 861 ) und Ötlingen ( 788 ) sind früher Lindorf ( 1090 ) später erwähnt worden.
Im Jahr 960 gelangte Kirchheim in einem Tausch vom Chur in den Besitz Kaiser Ottos I. In dieser ersten urkundlichen Erwähnung wird die Martinskirche erstmals genannt. Im 9. und 10. Jahrhundert wurde Kirchheim zu einem wichtigen Marktort.
Um 1060 fassten die Zähringer am Albvorland Fuß und beeinflussen die Kirchheims rund 300 Jahre lang. Besonders zu ist hierbei eine Nebenlinie der Zähringer: die von Teck.
Im Zeitraum zwischen 1220 und 1230 wurde der Marktort Kirchheim durch die von Teck zur Stadt erhoben und bereits des 13. Jahrhunderts waren in Kirchheim alle Funktionen einer Stadt zu finden. Im Jahr 1381 wurde Kirchheim aufgrund des wirtschaftlichen Niedergangs 14. Jahrhundert von den Herzögen von Teck an Grafen von Württemberg verkauft.
Mit der Rückkehr Herzog Ulrichs im 16. Jahrhundert wurde Kirchheim zur Landesfestung ausgebaut. 1690 vernichtete ein verheerender Stadtbrand fast ganz Nur wenige Gebäude blieben verschont.
Bereits im 18. Jahrhundert liegen die Anfänge der Industrialisierung Kirchheims. 1819 wurde einer der größten Wollmärkte des eingerichtet und förderte die Ansiedlung von Färbereien Textilbetrieben. 1864 wurde Kirchheim an die erste Privat eisenbahn in Württemberg die Linie Unterboihingen - angeschlossen. Im weiteren Verlauf der Industrialisierung etablierte auch die Metallindustrie in Kirchheim. Nach dem Zweiten Weltkrieg wurde bedingt durch die Zuwanderung von und Heimatvertriebenen die Stadt erheblich erweitert. Neue und Industriegebiete entstanden und es wurden Schul- Sportstätten errichtet. Im Rahmen zweier Verwaltungsreformen in Jahren 1935 und 1974 wurden Ötlingen und Lindorf sowie Nabern Jesingen eingemeindet.