Após trabalhos no teatro e na televisão, seu filme de estreia foi a comédia Top Secret! Superconfidencial (1984). Dois anos depois, interpretou Iceman, o rival de Tom Cruise no sucesso de bilheteria Top Gun - Ases Indomáveis (1986). 

 

Na década de 1990, os filmes estrelados por Kilmer arrecadaram mais de US$ 3,7 bilhões em todo o mundo. Na época, foi um dos atores mais bem pagos de Hollywood.

 

O ator tinha fama de ser difícil de trabalhar e teve desentendimentos com colegas como Marlon Brando, com quem atuou em A Ilha do Dr. Moreau (1996). O diretor de Batman Eternamente, Joel Schumacher, o descreveu à Entertainment Weekly como "infantil e impossível". Por outro lado, a atriz Mira Sorvino, que contracenou com ele em À Primeira Vista (1999) afirmou ao The A.V. Club ter tido uma experiência positiva no set e destacou profissionalismo do ator.

 

Numa rápida aparição, Kilmer reprisou seu papel como Iceman em Top Gun: Maverick (2022), sua última atuação no cinema.

 

Em 2017, Kilmer teve um câncer na garganta e passou por um intenso tratamento. Após quimioterapia e traqueotomias, sua voz ficou prejudicada, ao ponto de precisar do uso de Inteligência Artificial para ajustar sua fala em sua última perfomance, mesmo após a cura da doença. 

 

Michael Mann, que dirigiu Kilmer em Fogo Contra Fogo (1995), prestou homenagem ao ator. "Enquanto trabalhava com Val, sempre me maravilhei com o alcance, a brilhante variabilidade dentro da poderosa corrente do caráter possessivo e expressivo", disse em comunicado à Variety.

 

Francis Ford Coppola, que dirigiu o ator em Twixt (2011), também relembrou o talendo do ator. Em uma publicação em sua conta no Instagram, disse que "Kilmer era o ator mais talentoso quando estava no Ensino Médio, e esse talento só cresceu ao longo de sua vida".