Kilmer 1959. december 31-én született Los Angelesben, a középiskolában Kevin Spacey is az osztálytársa volt. Ifjúkorát fivére tragikus halála árnyékolta be, aki 1977-ben egy úszómedencébe fulladt, később elmondta, hogy évekbe telt, míg a veszteséget feldolgozta. 17 évesen került be a Julliard színésziskolába, 1983-ban lépett először a Broadway színpadára Sean Penn és Kevin Bacon társaságában a The Slab Boys című John Byrne-drámában.

A filmvásznon 1984-ben debütált a Top Secret című kémparódiában. Tony Scott 1986-os Top Gun című kasszasikerében, amelyben Tom Cruise játszotta a főszerepet, Tom "Iceman" Kazansky vadászpilótát alakította, majd évtizedekkel később ismét feltűnt Cruise oldalán a 2022-es Top Gun: Maverick című folytatásban.

Ron Howard Willow (1988) című fantasyjének forgatásán ismerte meg Joanne Whalley-t, összeházasodtak, és két gyermekük született, mielőtt elváltak.

Oliver Stone The Doors (1991) című filmjében Jim Morrisont, a rockegyüttes karizmatikus énekesét alakította. A zenés film Kilmer pályafutásának egyik legnagyobb kihívása volt, Kilmer saját maga énekelte a filmben elhangzó számokat.

A kilencvenes években számos hollywoodi filmben szerepelt, köztük a Tombstone - A halott város, a Szemtől szemben vagy az Angyal című produkciókban, és ő kapta Batman szerepét Joel Schumacher Mindörökké Batman című 1995-ös filmjében.

Miközben Hollywood legjelentősebb színészei között emlegették, sok kollégájával és rendezőjével keveredett vitába heves természete és perfekcionizmusa miatt, és egy sor bukásban is része volt.

Stone Nagy Sándor, a hódító című 2004-ben bemutatott történelmi eposzában Nagy Sándor (Colin Farrell) apját játszotta.

„A legtöbb színész felismeri, hogy Valban valami más van, mint ami látszik” – idézte a rendező egy interjúját a The New York Times.

David Mamet az ugyancsak 2004-ben vetített A spártai című politikai thriller rendezője pedig azt emelte ki, hogy Kilmer „színészként birtokában volt annak, aminek az igazán nagyszerű színészek: játékuk olyan természetes, hogy improvizációnak tűnik”.

Kilmernél 2014-ben diagnosztizáltak torokrákot, de később meggyógyult.

Visszaemlékezései I'm Your Huckleberry: A Memoir címmel 2020-ban jelentek meg. Pályafutásáról 2021-ben készült a Val című cannes-i filmfesztiválon debütált dokumentumfilm, amelynek alkotói több évtizednyi archív felvételből válogattak. A több díjjal elismert produkció elkészítésében gyermekei is részt vettek, narrátora a fia, Jack volt.

A The Hollywood Reporternek adott interjújában 2012-ben beszélt arról, hogy több mint egy évtizedig távol maradt Hollywoodtól, amit azzal magyarázott, hogy pályafutása nem volt megszokott, és a gyermekeivel akart több időt tölteni.

„Nem bántam meg semmit” – mondta hozzáfűzve, hogy a fáma szerint „ha egyszer sztár vagy, mindig sztár maradsz, csak az a kérdés, hogy milyen szinten”.