Su popularidad aumentó tras participar en la obra de Broadway 'Slab Boys', en la que participó junto a otros grandes actores como Kevin Bacon y Sean Penn. Desde entonces ha participado en innumerables producciones como " Top Secret!" (1984), "Top Gun" (1986), "Willow" (1988), "The Doors" (1991), "Tombstone" (1993), "Batman Forever" (1995), "El Santo" (1997), "Alejandro Magno" (2004), "Kiss Kiss Bang Bang" (2005) y "Top Gun: Maverick" (2022).
En mayo de 2017 Kilmer reveló a los medios de comunicación que padecía de cáncer y que esta enfermedad le fue diagnosticada en 2015. Tiempo después, el actor logró vencer esta enfermedad y atribuyó esta victoria a su entrega a Dios, explicando literalmente que: "Rezar fue mi tratamiento".