Vels Kilmers savu karjeru iesācis kā teātra aktieris, spēlējot Džuljarda skolas aktieru trupā un Ņujorkas Šekspīra festivāla iestudējumos. Plašākas auditorijas slavu ieguvis, piedaloties tādās kinokomēdijās kā "Top Secret!" (1984), "Īsts ģēnijs" (Real Genius, 1985), asa sižeta filmā "Top Gun" (1986) un fantāzijas filmā "Vilovs" (Willow, 1988). 2022. gadā aktieris piedalījās "Top Gun" filmas turpinājuma versijā "Top Gun: Maverick", kurā uz ekrāna satikās ar otru, tikpat ikonisku šīs filmas aktieri Tomu Krūzu. 

Nozīmīgs karjeras pavērsiens bija aktiera iejušanās rokgrupas "The Doors" solista Džima Morisona ampluā tāda paša nosaukuma 1991. gada filmā, kuru režisēja Olivers Stouns. Savukārt 1995. gadā Kilmers atstāja savu nospiedumu kino vēsturē kā viens no supervaroņa Betmena atveidotājiem filmā "Batman Forever". 

Vels Kilmers no dzīves šķīrās otrdien Losandželosā no pneimonijas, viņa meita Mersedesa pastāstīja ASV plašsaziņas līdzekļiem. Viņa norādīja, ka 2014. gadā tēvam tika diagnosticēts rīkles vēzis, bet vēlāk viņš izveseļojās. Traheotomijas operācija ietekmēja viņa balsi un ierobežoja aktiera karjeru, taču viņš atgriezās uz ekrāna, lai piedalītos iepriekš pieminētajā asa sižeta filmā "Top Gun: Maverick". 

Par lomām filmās "Sadursme" (Heat, 1995) un Kiss Kiss Bang Bang (2005) Kilmers nominēts Saturna balvai, kuru piešķir ASV Zinātniskās fantastikas, fantāzijas un šausmu filmu akadēmija.