Родился 31 декабря 1959 года в Лос-Анджелесе. Его отец работал в сфере недвижимости и строительства, а мать была домохозяйкой, но они развелись, когда Вэлу было девять лет. Впоследствии он порой жил с матерью в Санта-Фе, а порой на ранчо отца. Также у Вэла было два старших брата. Уже с ранних лет он начал принимать участие в театральных постановках, изучал драматическое искусство в средней школе, а затем постигал его в Голливудской профессиональной школе. В возрасте семнадцати лет Килмер стал наиболее молодым студентом драматического отделения Джульярдской школы в Нью-Йорке. Серьезным ударом для Вэла в тот период стала смерть старшего брата от эпилептического приступа в бассейне.
В период обучение в Джульярде Вэл много и увлеченно играл в классических постановках.
С 1981-го года началась его активная театральная деятельность, а в 1983-м он уже участвовал в бродвейских постановках, где играл на одной сцен с Кевином Бэконом и Шоном Пенном. А спустя год в 1984-м Килмер дебютировал и в кино, сыграв в пародийной комедии «Совершенно секретно!». При этом Велу сразу же досталась одна из главных ролей, которая принесла ему новую популярность. К тому же актер самостоятельно исполнил все вокальные партии своего персонажа, являющегося рок-певцом и впоследствии даже выпустил альбом под именем последнего. После такого впечатляющего дебюта Килмеру предложили главную роль в мелодраме «Грязные танцы», но он отказался от участия в проекте, имевшем впоследствии огромный успех и принесший славу Патрику Суэйзи. В 1985-м Вэл сыграл одну из ролей в ленте «Настоящий гений», а на следующие год снялся в картине «Лучший стрелок» с Томом Крузом в главной роли, фильм имел оглушительный успех и добавил популярности обоим начинающим актерам. Другой заметной ролью стало участие в фантастической ленте Джорджа Лукаса «Виллоу», кроме того на съемках этой ленты Вэл познакомился со своей будущей женой Джоэнн Уэлли, исполнительницей женской главной роли. Вместе они сыграли и в детективном триллере «Убей меня снова».
В начале девяностых Килмера ждал новый взлет в карьере, после того как Оливер Стоун пригласил его исполнить роль легендарного музыканта Джима Моррисона в картине «Дорз». Вэл обладал не только существенным внешним сходством с Джимом, но и более чем достойными вокальными данными и самостоятельно исполнил все звучащие в фильме песни, так что не каждый отличит их от оригинального голоса музыканта. В последующие годы вышел целый ряд фильмов с участием Килмера, среди которых «Громовое сердце», «Настоящая любовь», где он сыграл самого Элвиса Пресли, «Настоящая Маккой» и блокбастер Джоэла Шумахера «Бэтмен навсегда», где Килмер исполнил главную роль. Другой знаменательной работой стала вышедшая в 1995-м году картина «Схватка», где его партнерами по съемочной площадке стали Аль Пачино и Роберт де Ниро. А в фильме «Остров доктора Моро» он снялся вместе с сами Марлоном Брандо.
Килмер продолжал активную актерскую деятельность и среди дальнейших наиболее заметных его работ можно отметить такие фильмы как «Призрак и тьма», «Святой», «Красная планета», «Слепой горизонт», «Окружение», «Спартанец», «Охотниках за разумом», «Кольцо Дракона», «Александр», «Поцелуй на вылет», «Дежа вю», «День Колумба», «Время пришло... 2:22», «Оттепель», «Семь футов» и «Между».
Стоит отметить, что Вэл Килмер талантлив и в литературе, так ещё в 1983-м году он выпустил поэтический сборник.
