Talvivehnä (yleensä Triticum aestivum) on vehnäkanta, joka istutetaan syksyllä itämään ja kehittymään nuoriksi kasveiksi, jotka pysyvät talven kasvuvaiheessa ja jatkavat kasvuaan aikaisin keväällä. Luokittelu kevät- tai talvivehnään on yleistä, ja se viittaa perinteisesti viljelykauteen, jonka aikana sato viljellään. Talvivehnän fysiologinen vaihe (jolloin tähkä syntyy ensimmäisen kerran) viivästyy, kunnes kasvi kokee vernalisaation, joka on 30-60 päivän jakso kylmää talvilämpötilaa (0°-5 °C).
Talvivehnä kylvetään yleensä syyskuusta marraskuuhun (pohjoisella pallonpuoliskolla) ja korjataan seuraavan vuoden kesällä tai alkusyksyllä. Joissakin paikoissa (esim. Chilessä) talvivehnän sato ”valmistuu” kokonaan vuosi ennen sadonkorjuuta. Talvivehnä tuottaa yleensä enemmän satoa kuin kevätvehnä.
Ns. fakultatiiviset vehnälajikkeet tarvitsevat lyhyemmän vernalisaatioajan (15-30 päivää) ja 3°-15 °C:n lämpötilan. Monilla alueilla fakultatiivisia lajikkeita voidaan kylvöajankohdasta riippuen viljellä joko talvi- tai kevätvehnänä.
Maissa, joissa talvet ovat leutoja, kuten Etelä-Aasiassa (Intia, Pakistan, Nepal, Bangladesh), Pohjois-Afrikassa, Lähi-idässä ja matalammilla leveysasteilla (esim. Meksikon Sonora), kevätvehnää (joka ei vaadi kevätkylvöjaksoa) kylvetään myös syksyllä (marras-joulukuussa) ja sato korjataan myöhään keväällä (huhti-toukokuussa) seuraavana vuonna. Tätä syksyllä kylvettyä ja talven yli kasvatettua kevätvehnää kutsutaan joskus virheellisesti myös ”talvivehnäksi”.
Kovien talvivehnien gluteeniproteiinipitoisuus on korkeampi kuin muiden vehnien. Niistä valmistetaan jauhoja hiivaleipiä varten, tai ne sekoitetaan pehmeän kevätvehnän kanssa, jotta niistä saadaan monikäyttöjauhoja, joita käytetään monenlaisissa leipomotuotteissa. Puhdasta pehmeää vehnää käytetään erikois- tai kakkujauhoihin. Durumia, kovinta vehnää, käytetään pääasiassa pastan valmistukseen. Lähes kaikki Pohjois-Amerikassa viljelty durumvehnä on kevätvehnää.
Talvivehnää viljellään kaikkialla Euroopassa ja Pohjois-Amerikassa sekä Siperiassa.