Formé à la Professional School d'Hollywood, Val Kilmer fait ses débuts au théâtre. Il est le plus jeune étudiant à avoir été admis au département art dramatique de Juillard. En 1983 il joue dans Slab Boys aux côtés de Sean Penn et Kevin Bacon, avant d'avoir le rôle principal de Hamlet.
Il obtient son premier rôle au cinéma l'année suivante dans Top Secret !, une comédie délirante du trio Zucker Abrahams Zucker (responsables par la suite de la série des Y'a t-il un flic) où il incarne une star du rock.

Il est révélé au grand public en 1986 avec le film d'action Top Gun aux côtés de Tom Cruise où il joue l'un des camarades de pilote de chasse. Egalement présent sur le petit écran, il est la vedette du téléfilm L'homme qui brisa ses chaînes en 1987. Un an plus tard il est à l'affiche de Willow, un film fantastique de Ron Howard. En 1991 il joue à nouveau une rockstar, mais cette fois non fictive, puisqu'il prête ses traits à Jim Morrison dans The Doors, d'Oliver Stone. C'est lui qui rechante les chansons lors des scènes musicales. Il apparaît la même année dans Cœur de Tonnerre de Michael Apted où il interprète un agent du FBI qui redécouvre ses origines indiennes. C'est un sujet qui touche Val Kilmer personnellement, lui-même ayant de lointaines origines de natif américain.
Après son apparition dans le western Tombstone, il endosse le costume du célèbre justicier masqué dans Batman Forever (Joel Schumacher) en 1995. L'année suivante c'est sa présence dans Heat de Michael Mann, où il joue un braqueur au grand coeur aux côtés de Robert de Niro et Al Pacino, qui marque les esprits.

Malgré tout, ses talents d'acteur n'ont pas toujours fait l'unanimité. L'année 1997 ne lui porte pas chance : il est alors nommé par les Razzie Awards (prix «récompensant» le pire du cinéma) pire acteur pour Le Saint de Phillip Noyce, pire second rôle masculin pour L'Ombre et la proie (Stephen Hopkins) ainsi que pour L'Ile du docteur Moreau (Frankenheimer, Rubell, Scott). De plus, Planète Rouge, un film de science-fiction d'Anthony Hoffman produit en 2000, connaît également un échec commercial.

Il fait son retour en 2001 avec le thriller Salton Sea de D.J. Caruso, où il joue un junkie au coeur brisé enquêtant sur la mort de sa femme. Il tourne à nouveau avec Ron Howard avec un second rôle dans le western Les Disparues en 2002. L'année suivante, pour les besoins de Wonderland, de James Cox, il interprète à nouveau un personnage historique : John Holmes, un acteur porno des années 70, suspecté dans une affaire de quadruple meurtre à Hollywood. Très impliqué dans le tournage, il réalise un livre de photos à partir du film.
Il préfère retrouver Oliver Stone plutôt que Michael Mann en 2004, en acceptant de jouer le père du conquérant dans la fresque épique Alexandre. Il change de registre en 2005 avec le polar décalé Kiss kiss bang bang dont il partage l'affiche avec Robert Downey Jr.

Puis il retourne sur les planches, et interprète Moïse dans la comédie musicale Les Dix Commandements au Kodak Theater à Los Angeles en 2006. Un rôle pour lequel il est bien préparé, puisqu'il a prêté sa voix au même personnage dans le dessin animé Le Prince d'Egypte en 1998.
Après une apparition en 2006 aux côtés de Denzel Waschington dans Déjà vu, un thriller fantastique de Tony Scott, il participe en 2008 à Bad Lieutenant, Escale à la Nouvelle-Orléans de Werner Herzog, remake du film culte de Ferrara.

Filmographie de Val Kilmer

• Twixt - Acteur
• Shane Black S Kiss Kiss Bang Bang - Acteur
• Profession Profiler - Acteur
• Wonderland - Acteur
• Le Prince D Egypte - Acteur
• Heat - Acteur
• Top Gun - Acteur