Kilmeru je 2014. godine dijagnosticiran rak grla. Oporavio se nakon liječenja kemoterapijom i operacije dušnika koja mu je smanjila glasovne sposobnosti.

Kilmer je rođen u Los Angelesu 1959. godine. Sa 17 godina je bio jedan od najmlađih studenata ikad primljenih na program glume na Julliardu. Počeo je kao kazališni glumac i postao poznat u kasnim 1980-ima svojim ulogama u filmskim komedijama Top Secret! i Real Genius, prije nego što je dobio ulogu Icemana u hitu Top Gun. Tamo je upoznao i svoju suprugu Joanne Whalley, s kojom je imao dvoje djece. Razveli su se 1996. godine.

Oliver Stone dodijelio mu je ulogu Jima Morrisona u svom biografskom filmu The Doors, a poznat je i po ulogama Elvisa Presleya u True Romance i Doca Hollidaya u vesternu Tombstone. Upravo je ta izvedba Kilmeru donijela najveću ulogu u njegovoj karijeri, onu Brucea Waynea/Batmana u Batman Forever.

Godine 2005. dobio je ulogu uz Roberta Downeya Jr. u redateljskom prvijencu Shanea Blacka, kriminalističkoj komediji Kiss Kiss Bang Bang; 2012. glumio je u samostalnoj predstavi Građanin Twain, u kojoj je glumio pisca Marka Twaina; a 2017. nakratko se pojavio u glazbeno-industrijskoj drami Song to Song Terrencea Malicka. Vratio se ulozi Icemana u filmu Top Gun: Maverick iz 2022., u kojem je njegov lik postao zapovjednik američke pacifičke flote.

U kasnijim se godinama Kilmer više angažirao u politici, a 2009. je rekao da razmišlja o kandidaturi za guvernera Novog Meksika, gdje je živio. Pojavio se na skupovima u sklopu predsjedničke kampanje Ralpha Nadera 2008., a 2013. je lobirao za vjerska izuzeća Obamacareu, donosi Jutarnji list.