Jest drugim z trzech synów dystrybutora aerokosmicznego sprzętu i posiadacza nieruchomości Eugene'a Kilmera i Gladys Ekstadt. Ma pochodzenie szkockie, irlandzkie, żydowskie sefardyjskie, czerokeskie, indiańskie, szwedzkie, niemieckie i odlegle mongolskie. Dorastał ze starszym bratem Markiem i młodszym bratem Wesleyem w San Fernando Valley w południowej Kalifornii. W 1977 ukończył szkołę średnią Chatsworth High School w Chatsworth, w stanie Kalifornia, gdzie po raz pierwszy zainteresował się aktorstwem. Mając 17 lat wstąpił do Julliard School w Nowym Jorku. Na dużym ekranie debiutował rolą gwiazdora rocka wplątanego w szpiegowską aferę z siejącym postrach wywiadem NRD sensacyjnej komedii romantycznej Ściśle tajne (Top Secret!, 1984) z udziałem Omara Sharifa. Niedługo potem zagrał postać młodego zdolnego naukowca usiłującego nie dopuścić do wykorzystania swojej pracy przez CIA w komedii romantycznej sci-fi Prawdziwy geniusz (Real Genius, 1985). Po kasowym sukcesie filmie akcji Top Gun (1986), gdzie zabłysnął jako cwaniakowaty i pewny siebie pilot por. Tom "Iceman" Kazansky, trafił na mały ekran w w biograficznym dramacie HBO Człowiek, który zerwał 1000 łańcuchów (The Man Who Broke 1,000 Chains, 1987) w nominowanej do nagrody CableACE roli weterana II wojny światowej, uciekiniera z więzienia w Georgii, który rozpoczyna nowe życie z nową tożsamością w Chicago, a następnie zagrał odważnego rycerza i awanturnika zdolnego jednak do pomocy i romantycznych uniesień w przygodowym filmie fantasy Rona Howarda Willow (1988). W 1988 roku podczas Festiwalu Szekspirowskiego w Kolorado wcielił się w postać Hamleta. Został zaangażowany do roli legendarnego rewolwerowca w telewizyjnym westernie Billy the Kid (1989). Po występie w roli prywatnego detektywa wplątanego w sfingowanie śmierci swojej klientki w thrillerem kryminalnym Zabij mnie jeszcze raz (Kill Me Again, 1989), wielkim sukcesem była kreacja Jima Morrisona, jedną z ikon rocka, lidera i wokalisty tytułowej grupy w biograficznym dramacie Olivera Stone'a The Doors (1991), za którą otrzymał nominację do nagrody MTV. W filmie sensacyjnym Tony'ego Scotta na podstawie scenariusza Quentina Tarantino Prawdziwy romans (True Romance, 1993) pojawia się jako duch Elvisa-swego rodzaju mentor głównego bohatera. W nakręconym z rozmachem westernie Tombstone (1993) z Kurtem Russellem i Michaelem Biehnem wystąpił w roli umierającego na gruźlicę rewolwerowca Doca Hollidaya. Popularność przyniosła mu komiksowa postać człowieka-nietoperza / Bruce'a Wayne'a w filmie Batman Forever (1995) oraz drugoplanowa rola zawodowego złodzieja w dramacie kryminalnym Michaela Manna Gorączka (Heat, 1995) z Robertem De Niro i Alem Pacino. Za kolejne role – zrelaksowanego pomocnika tytułowego doktora w remaku horroru Wyspa doktora Moreau (The Island of Dr. Moreau, 1996) z Marlonem Brando, irlandzkiego inżyniera w przygodowym filmie sensacyjnym Duch i Mrok (The Ghost and the Darkness, 1996) z Michaelem Douglasem, Simona Templara w sensacyjnym romansie sci-fi Phillipa Noyce Święty (The Saint, 1997) i Filipa II, ojca Aleksandra w sensacyjno-przygodowym dramacie historycznym Olivera Stone'a Aleksander (Alexander, 2004) – nie uzyskał pozytywnych opinii w oczach krytyków i trzykrotnie był nominowany do nagrody Złotej Maliny dla najgorszego aktora. Kreacja uzależnionego od narkotyków wdowca w Jezioro Salton (The Salton Sea, 2002) została uhonorowana nagrodą Prism, a za postać pozbawionego skrupułów i bezwzględnie okrutnego geja w komedii Kiss Kiss Bang Bang (2005) odebrał w Los Angeles nagrodę Satelity. Zajmuje się także dubbingiem. Użyczył swojego głosu Mojżeszowi w biblijnym filmie animowanym Książę Egiptu (The Prince of Egypt, 1998). Spotykał się z Mare Winningham, Cher, Ellen Barkin (1984), Michelle Pfeiffer, Cindy Crawford (1996), Jaycee Gossett (1998-2000), Daryl Hannah (2001-2002), Elisabeth Shue i Angeliną Jolie. Był żonaty z aktorką Joanne Whalley (od 28 lutego 1988 do lutego 1996), z którą ma córkę Mercedes (ur. 1992) i syna Jacka (ur. 1995).