Килмер алғаш рет 1984 жылы «Өте құпия!» комедиясындағы рөлі арқылы танымал болды.
Ол 1991 жылы Оливер Стоунның «Дорз» фильмінде аты аңызға айналған әнші Джим Моррисонның рөлін сомдады. 1995 жылы Джоэл Шумахердің «Мәңгілік Бэтмен» фильмінде Бэтмен/Брюс Уэйннің бейнесін жасап, көрермен жүрегінен орын алды. Сонымен қатар, ол «Топ Ган» (1986) және «Топ Ган: Мэверик» (2022) фильмдерінде Том «Айсмэн» Казанскидің рөлін ойнап, Том Круздың кейіпкеріне алғашында қарсылас, кейін серіктес ретінде танылды.
«Топ Ган» сиквелінде Килмердің кейіпкері өте аз сөйлейді және фильм соңында қатерлі ісіктен қайтыс болады. Өмірде де актер 2014 жылы көмей қатерлі ісігіне шалдыққан еді, алайда емделіп, ремиссияға шыққан болатын.
Килмердің басқа да танымал туындыларының қатарында «Уиллоу» (1988), «Соққы» (1995) және «Қош бол, сүйіктім» (2005) фильмдері бар.