Причината за смъртта му е пневмония. Килмър дълго време се бореше с рак на гърлото, открит през 2014 г., което значително повлия на здравето му и го отдалечи от публичния живот.
През 2019 г. той се появи на събитие, организирано от собствената му фондация „ТвенМания“. По-късно изигра кратка, но запомняща се роля във филма „Топ Гън: Маверик“, в сцена с Том Круз. За тежкото си състояние говори открито за първи път през 2017 г., когато разкри, че е претърпял трахеална операция, която е променила гласа му.
Килмър оставя след себе си богата филмография с участия в култови продукции като „Топ Гън“, „Батман завинаги“, „Жега“, „Светецът“, „Вратите“, „Александър“ и други. Сред най-запомнящите му се роли са тези на Брус Уейн/Батман, Джим Морисън и Били Хлапето.