В 1986-м Килмер исполнил одну из главных ролей в боевике «Лучший стрелок» (Top Gun) — он принес актеру мировую известность. В 1991 году сыграл вокалиста The Doors Джима Моррисона в одноименном фильме Оливера Стоуна, все песни в киноленте актер исполнял сам. Его карьера резко пошла на спад после провала в прокате фантастического фильма «Красная планета» в 2000 году (при бюджете более $100 млн он собрал всего $33 млн).
В 2014 году из-за рака гортани актер перенес трахеотомию, также прошел курс химиотерапии. Вэлу Килмеру удалось «вернуть» потерянный голос с помощью искусственного интеллекта — британская компания Sonantic создала для него специальную звуковую модель, обработав старые записи актера. Благодаря этому он сумел сыграть в «Топ Ган: Мэверик», который вышел на экраны в 2022 году. В общей сложности на счету Вэла Килмера почти сотня ролей.
