Az amerikai színész 1959. december 31-én született Los Angelesben, színpadi színészként kezdte pályafutását, és a nyolcvanas években kezdett el filmekben dolgozni. 1984-ben szerepelt először filmben, a Top Secret című paródiában, majd jött Tom Cruise mellett a Top Gun. Egyik legismertebb szerepe az 1991-es The Doors című film volt, melyben Jim Morrisont személyesítette meg.
A későbbiekben feltűnt még Batman szerepében is az 1995-ös Mindörökké Batmanben, legutóbb pedig a 2022-ben megjelent Top Gun: Maverick című filmben tűnt fel egykori szerepében. Kilmernél 2015-ben torokrákot diagnosztizáltak, a kezelés részeként végrehajtott beavatkozás megsértette a hangszálait, és ezt követően nehezen tudott beszélni, de nem állította meg a színészkedésben. 2021-ben jelent meg Val című dokumentumfilmje, ahol őszintén mesélt életéről.