کیلمر که از سال ۲۰۱۵ با سرطان حنجره دست و پنجه نرم می‌کرد، به دلیل آسیب به تارهای صوتی از دنیای بازیگری فاصله گرفته بود. او فعالیت هنری خود را در دهه ۱۹۸۰ با فیلم‌هایی چون «نابغه واقعی» آغاز کرد و با نقش‌آفرینی به‌یادماندنی در نقش آیسمن در فیلم «تاپ گان» (۱۹۸۶) در کنار تام کروز به شهرت رسید.

از دیگر آثار برجسته کیلمر می‌توان به فیلم‌های «د دورز»، «تومستون» و «مخمصه» اشاره کرد. او همچنین در فیلم «بتمن برای همیشه» به کارگردانی جوئل شوماخر، ایفاگر نقش بتمن بود.

کیلمر در دنباله فیلم «تاپ گان» با عنوان «تاپ گان: ماوریک» با کمک فناوری هوش مصنوعی بار دیگر در نقش «آیسمن» ظاهر شد. تام کروز پیش‌تر درباره این همکاری گفته بود: «بازگشت وال کیلمر به این نقش بسیار احساسی بود. او بازیگر توانمندی است و بلافاصله به شخصیت آیسمن بازگشت.»

او در سال ۲۰۱۲ نمایش «شهروند تواین» را درباره زندگی مارک تواین روی صحنه برد و نویسندگی و کارگردانی آن را نیز بر عهده داشت.

کیلمر در سال‌های پایانی عمرش درباره بیماری، بازیگری و نیایش سخن گفته بود: «مردم اغلب از آنچه نمی‌فهمند می‌ترسند. من هم ترسیده بودم. اما حالا خوشحالم که قدرت دعا و عشق را تجربه کردم.»