Im November 1918 gehörte Thalheimer mit Fritz Rück zu den Führern der Stuttgarter Spartakusgruppe und ab Anfang November 1918 zu den Herausgebern der im Auftrag des Arbeiter- und Soldatenrates gedruckten "Roten Fahne". Rück und Thalheimer beteiligten sich aktiv an der Vorbereitung der Aktionen, die schließlich am 9. November zur Revolution in Württemberg führten. Bei dem Versuch, die revolutionäre Bewegung auch nach Friedrichshafen zu tragen, wurden Rück und Thalheimer am Abend des 6. November 1918 in Ulm verhaftet und blieben bis zum späten Abend des 9. November in Haft. Da die Stuttgarter Spartakisten deshalb am 9. November ohne Führung waren, ging die Initiative der Revolution in Württemberg auf die gemäßigten Sozialdemokraten um Wilhelm Keil und Wilhelm Blos über. Den ihm angebotenen Eintritt in die provisorische Regierung Württembergs als Finanzminister lehnte Thalheimer ab. Stattdessen war er vom 10. bis 18. November Vorsitzender des Stuttgarter Arbeiter-Rates, ehe er in die Zentrale des Spartakusbundes nach Berlin wechselte.