در طول دو قرن گذشته، سولفات تالیوم برای درمان های مختلف پزشکی مورد استفاده قرار گرفته است و اما بعد از مدتی کنار گذاشته شد. در اواخر دهه 1900 این ماده بیشتر برای از بین بردن جوندگان مورد استفاده قرار گرفت که این کاربردها در سال 1975 در ایالات متحده به دلیل ماهیت غیر انتخابی بودن آن ممنوع شد.
سولفات تالیوم (I) با جلوگیری از جوانه زنی رشد گیاهان را مهار می کند. امروزه بیشتر از این ماده به عنوان منبع کاتیونی تالیم در آزمایشگاه تحقیقاتی استفاده می شود. این ماده پیش ماده سولفید تالیوم (I) (Tl2S) است که در معرض نور مادون قرمز رسانایی الکتریکی بالایی از خود نشان می دهد.
ظاهراً از تالیم سولفات به عنوان دارو استفاده نشده است، بلکه به عنوان یک ماده ضدالتهاب در درمان عفونت های قارچی به کار رفته است. دوزهای خوراکی منفرد به میزان 4-10 میلی گرم در کیلوگرم استفاده شده اند و به فاصله 2-6 ماه (معمولاً 3 ماه) قبل از انتصاب مجدد توصیه می شود. استفاده از تالیوم متوقف شد زیرا تنظیم دوز دارو غیرممکن بوده که موجب اثرات سمی و ریزش مو گردیده است.
سولفات تالیوم (I) در آب محلول است و اثرات سمی آن از کاتیون تالیوم (I) حاصل می شود. میانگین دوز کشنده این ماده برای یک بزرگسال حدود 1 گرم است. از آنجا که تالیم (I) سولفات یک پودر ساده با خواص غیر قابل تشخیص است، به راحتی می توان آن را به عنوان مواد شیمیایی بی ضرر تر اشتباه گرفت.
این ترکیب شیمیایی می تواند از طریق بلع، استنشاق، یا از طریق تماس با پوست وارد بدن شود. کاتیون تالیوم (I) بسیار شبیه کاتیون های پتاسیم و سدیم است که برای زندگی ضروری هستند. پس از ورود یون تالیوم به سلول، بسیاری از فرآیندهای انتقال پتاسیم و سدیم مختل می شود.
به دلیل ماهیت سمی آن، بسیاری از کشورهای غربی استفاده از سولفات تالیوم (I) را برای محصولات خانگی ممنوع کرده اند و بسیاری از شرکت ها نیز استفاده از این ترکیب را متوقف کرده اند. دوز بیش از 500 میلی گرم آن کشنده گزارش شده است.
سولفات تالیم (I) پس از ورود به بدن، خود را در کلیه ها، کبد، مغز و سایر بافت های بدن متمرکز می کند. این ماده در اسرائیل برای کنترل جمعیت جوندگان استفاده شد، که گمان می رود که در دهه 1950، این کار منجر به ناپدید شدن جغد ماهی قهوه ای گردیده است.