Γεννημένος στις 31 Δεκεμβρίου 1959 στο Λος Άντζελες, από την Γκλάντις Σουάνετ και τον Γιουτζίν Κίλμερ, ο οποίος ήταν κατασκευαστής ακινήτων και διανομέας αεροδιαστημικού εξοπλισμού. Η μητέρα του, γεννημένη στην Ιντιάνα, ήταν από σουηδική οικογένεια και ο πατέρας του από το Τέξας.

Ο Κίλμερ σπούδασε στη Σχολή Τζούλιαρντ και ξεκίνησε την καριέρα του στο θέατρο, όπου έπαιξε τον Άμλετ στο Φεστιβάλ Σαίξπηρ του Κολοράντο το 1988. Το κινηματογραφικό του ντεμπούτο ήταν το 1984 στην τρελή κωμωδία «Άκρως… τρελό και απόρρητο» (Top Secret, 1984), όπου πρωταγωνίστησε ως ροκ-είδωλο Νικ Ρίβερς.

Εμφανίστηκε επίσης σε ταινίες όπως «Real Genius» (1985), «Top Gun» (1986) και «Willow» (1988). Η ερμηνεία του ως Τζιμ Μόρισον στο «The Doors» (1991) τον έκανε γνωστό στο ευρύτερο κοινό. Σημαντικοί οι ρόλοι του ήταν επίσης στις ταινίες «Σύγκρουση στο πράσινο βάλτο» (Tombstone, 1993), «Ένταση» (Heat, 1995) και «Μπάτμαν για πάντα» (Batman Forever, 1995), όπου υποδύθηκε τον Μπάτμαν.

Ο Kilmer ήταν παντρεμένος με την ηθοποιό Τζόαν Γουάλι από το 1988 έως το 1996 και απέκτησαν δύο παιδιά, την Μερσέντες (που ανακοίνωσε και τον θάνατό του) και τον Τζακ. Η ζωή και η καριέρα του καταγράφηκαν στο ντοκιμαντέρ «Val» το 2021, το οποίο περιλάμβανε αφηγήσεις από τον γιο του, Τζακ.

Ο Κίλμερ είχε διαγνωστεί με καρκίνο του λάρυγγα το 2014 και υπέστη τραχειοτομή, η οποία επηρέασε την ικανότητά του να μιλά. Παρά την ασθένειά του, συνέχισε να εργάζεται, επανεμφανιζόμενος ως Άισμαν στο «Top Gun: Maverick» το 2022.

Ο θάνατος του Βαλ Κίλμερ αφήνει ένα σημαντικό κενό στον κινηματογράφο, με την κληρονομιά του να συνεχίζει να επηρεάζει και να εμπνέει.