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.
