In seiner Blütezeit unter den Herren von Sachsenheim verlieh König Maximilian I. Großsachsenheim 1495 das Stadtrecht. Im Jahr 1090 war der Ort erstmals in einer Urkunde erwähnt worden. Mit dem Stadtrecht bekam die Gemeinde das Recht, Märkte abzuhalten: Noch heute findet jedes Jahr am 21. September ein Krämermarkt in Großsachsenheim statt.
Die Herren von Sachsenheim, die ihren Stammsitz vermutlich auf der Burg Altsachsenheim (Untermberg) hatten, erbauten um 1400 im Ort das Sachsenheimer Wasserschloß. 1542 brannten das Schloß und ein Teil der Stadt ab. Glaubt man einer alten Sage, soll der Sachsenheimer Schloßgeist dabei seine Finger im Spiel gehabt haben - das Klopferle.
Nach dem Aussterben des Ortsadels fiel Großsachsenheim 1561 an Württemberg und wurde Amtsstadt, 1657 sogar Oberamtsstadt. Das Amt umfasste außer Großsachsenheim noch die Gemeinden Kleinsachsenheim, Metterzimmern, einen Teil von Sersheim und Untermberg.
Obwohl Ort und Schloß im Dreißigjährigen Krieg von größerer Plünderung verschont blieben - Pfarrer Friedrich Kies hatte marodierende Söldner mit 300 Litern Wein davon abgehalten - hatten die Bewohner unter dem Krieg und den ihn begleitenden Seuchen zu leiden. Acht Jahre nach dem Krieg lebten halb so viele Menschen im Ort wie vorher. Die Erbfolgekriege Ende des Jahrhunderts setzten den Menschen weiter zu. Bald wurde die Stadt nur noch als Dorf oder Flecken bezeichnet, so dass man sich 1747 gezwungen sah, die Landesherrschaft um "gnädigste Beibehaltung der wohlhergebrachten Stadtgerechtigkeit" zu bitten.