Предполагается, что название Tallinn в эстонском языке происходит либо от слов taani linn («датский город»), tali linn («зимний город») либо talu linn («дом, усадьба-замок»). Название «датский замок» происходит от того, что датские захватчики построили замок на месте эстонской крепости после битвы при Линданисе в 1219 году.
Корень -linn означает то же самое, что и русский «-город/град» или немецкий -burg, означающий «крепость».
Первое упоминание о Таллине, предположительно, относится к 1154 году, когда арабский географ аль-Идриси описал в своём труде «Развлечение тоскующего о странствии по областям» некий город под названием «Колывань» (в написании Quoluwany). Время проникновения этого топонима в устную традицию, а также обстоятельства основания города - пока неизвестны, хотя есть предположение, что это наиболее древнее эстонское Kalevan (город Калева - мифического прародителя эстов). В древнерусских письменных источниках название встречается с 1223 года и вышло из употребления только в XVIII веке.
В «Хронике Ливонии» Генриха Латвийского (1-я половина XIII века), написанной на латыни было использовано скандинавское название «Линданисе» (дат. Lyndanisse, швед. Lindanäs), происходящее от древнеэстонского Lindanise («мыс парового поля» или «сосок груди Линды» - мифической жены Калева).
Позднее скандинавы и немцы называли город «Ре́валем» (швед. Réval, нем. Réval, лат. Reuália, фин. Rääveli, эст. Révala) от названия прежнего княжества (земли) Ревала. Примерно в XIII веке стало употребляться и современное эстонское название города - Таллин. Самое первое упоминание современной формы названия города (Tallyn) обнаружено в сохранившейся присяге таллиннских эстонцев (в оригинале негерманцев) на верность Герману фон Брюггеноэ, магистру Ливонского ордена, и датировано 1536 годом.
Название «Ре́вель» было заимствовано из немецкого (шведского) языка и стало официальным после присоединения завоёванной в ходе Северной войны территории современной Эстонии к Российской империи. В 1719 году также была учреждена Ревельская губерния.
После Октябрьской революции советская власть признала право народов России на самоопределение, в том числе и местные названия в той форме, как их употребляли коренные народы.
7 декабря 1988 года на сессии Верховного Совета Эстонской ССР была принята поправка к русскому тексту Конституции ЭССР, согласно которой с 1 января 1989 года название города в русском тексте конституции Эстонской ССР стало писаться с двумя «н»: Таллинн. Такое изменение объяснялось стремлением привести русское написание в соответствие с эстонским.
Хотя русский язык и не имеет в Эстонии официального статуса, в эстонских средствах массовой информации, издающихся на русском языке, а также в литературе, используется написание Таллинн.
Языковая инспекция Эстонии предписывает использовать вариант Таллинн.