1959'un son günü Los Angeles'ta doğan Kilmer'ın babası Eugene Kilmer emlakçıydı. 1968'de anne ve babasının boşandı. 1977'de henüz 15 yaşındaki kardeşi Wesley, bir yüzme havuzunda boğularak hayatını kaybetti. Prestijli oyunculuk akademisi Juillard'a kabul edildi ve burada eğitim gördü. 1980'lerin başında sadece tiyatroyla ilgilendi, hatta bu dönemde Francis Ford Coppola'nın The Outsiders filmi için yaptığı teklifi geri çevirdi. Ancak sonrasında televizyon ve sinemaya geçti. 1984 yapımı Top Secret! adlı komedi filmiyle adını duyurdu. Ardından büyük şöhret kazanacağı Top Gun filmi geldi. Bu film, hem başrol arkadaşı Tom Cruise, hem de kendisi için bir dönüm noktası oldu. 1980'lerin klasikleri arasına giren filmde Iceman lakaplı pilot Tom Kazanski'yi canlandırdı. 1988 yapımı Willow ve Kill Me Again filmlerinde o dönem tanışıp evlendiği İngiliz aktris Joanne Whalley ile başrolü paylaştı.
1990'ların başında Kilmer önemli yapımlarda yer almaya devam etti. 1991'de Oliver Stone'un yönettiği The Doors filminde, 1960'ların ünlü grubunun unutulmaz solisti Jim Morrison'ı canlandırdı. 1995'te 2 önemli filmde daha oynadı. Joel Schumacher'in Batman Forever filminde Bruce Wayne rolünü üstlenirken, Michael Mann'ın suç-aksiyon türündeki The Heat filminde de Al Pacino ve Robert De Niro gibi iki usta isimle birlikte kadrodaydı. 2000'li yıllarda Kızıl Gezegen, Büyük İskender, Kiss Kiss Bang Bang, Deja Vu gibi filmlerde oynadı.
1988 ile 1996 arasında İngiliz aktris Joanne Whalley ile evli kalmış, bu evlilikten Mercedes ve Jack Kilmer adında iki çocuğu olmuştur. İki çocuğu da oyunculukla ilgilenmektedir.
