Après des études à la Professional School d'Hollywood, Val Kilmer débute sa carrière de comédien sur les planches et interprète notamment Hamlet de William Shakespeare. En 1984, il obtient son premier rôle au cinéma : celui du rocker Nick Rivers dans le déjanté Top secret !. Il joue ensuite aux côtés de Tom Cruise, autre acteur très prometteur, dans Top gun en 1986, puis évolue dans l'univers fantastique de Willow en 1988. La même année, il fait la rencontre sur le tournage de Kill me again de Joanne Whalley, sa partenaire à l'écran qui deviendra par la suite sa femme jusqu'en 1996.

A la demande d'Oliver Stone, il pousse la chansonnette en interprétant Jim Morrison dans Les Doors (1991). Un western (Tombstone) plus tard, il enfile la panoplie de l'homme-chauve-souris pour Batman forever (1995). Connu pour son talent - il apparaît en troisième tête d'affiche de Heat, aux côtés d'Al Pacino et Robert De Niro -, il l'est également pour ses caprices et certains mauvais choix cinématographiques. Il est ainsi nommé au Razzie Award du pire acteur pour Le Saint, du pire second rôle masculin pour L'Ombre et la proie et L'Ile du Dr. Moreau.

Après avoir prêté sa voix à Moïse et à Dieu dans Le Prince d'Egypte (1998) et l'échec commercial Planète rouge, Val Kilmer nous revient en 2002 avec Salton sea, un polar surprenant de D.J. Caruso. L'année suivante, malgré sa réticence au départ, le comédien fait le choix risqué d'incarner John Holmes pour les besoins de Wonderland, un drame criminel de James Cox s'inspirant d'un fait divers sordide dans lequel fut impliquée la star de cinéma pornographique. Contacté par Michael Mann pour camper le détective de Collateral, il refuse finalement le rôle afin d'interpréter à la même époque le roi Philippe de Macédoine dans la fresque Alexandre (2005).

Il partage ensuite l'affiche du buddy movie déjanté et encensé Kiss kiss bang bang avec Robert Downey Jr., et, après plusieurs films mineurs, apparaît au casting du thriller futuriste Déjà Vu, de Tony Scott (2006), puis incarne un policier corrompu partenaire de Nicolas Cage dans le faux remake halluciné de Bad Lieutenant en 2010. Malgré une carrière en dents de scie, composée d'un grand nombre de rôles dans des productions destinées au marché du DVD, Val Kilmer continue de collaborer avec d'illustres réalisateurs, principalement au sein de projets atypiques, comme Francis Ford Coppola pour Twixt (2012).

S'il est à l'affiche de films inconnus du grand public ne bénéficiant (souvent pas) pas d'une sortie en salles, Val Kilmer varie tout de même les genres puisqu'on le trouve au casting du western La Première chevauchée de Wyatt Earp, de l'horrifique 7 Below, du thriller L'Enigme ainsi qu'au casting vocal de Planes. L'acteur fait également équipe avec Gia Coppola, petite fille de Francis Ford Coppola pour les besoins de sa première réalisation, Palo Alto. Dans ce drame centré sur l'adolescence et les problématiques qui en découlent, il donne la réplique à son fils Jack Kilmer.

En 2015, Val Kilmer est diagnostiqué d'un cancer du larynx. Le comédien continue cependant d'apparaître au cinéma, comme en témoignent ses participations à Tom Sawyer & Huckleberry Finn par le biais du personnage de Mark Twain, mais également à Song to Song de Terrence Malick et The Snowman de Tomas Alfredson, tous deux avec Michael Fassbender. Hélas pour lui, sa langue étant encore atteinte au moment du tournage de The Snowman, il sera doublé en post-production.

En rémission, il enchaine les tournages (The Super, A Soldier's Revenge) et se met en scène au théâtre dans Cinema Twain, dans lequel il incarne une version décalée du célèbre auteur Mark Twain, personnage qu'il avait déjà interprété au cinéma. Après une apparition dans le reboot de Jay et Silent Bob par Kevin Smith, il revient en 2020 dans Top Gun: Maverick, aux côtés de Tom Cruise.