את תפקידו הגדול הראשון גילם קילמר באחת הקומדיות המפורסמות ביותר של שנות ה-80 - "סודי ביותר!" של האחים צוקר. לאחר ההצלחה של הסרט המשיך קילמר לצבור תפקידי משנה בסרטים מצליחים, שהגדול מבניהם היה ב"אהבה בשחקים" לצידו של טום קרוז. ב-1988 כיכב קילמר בתפקיד הראשי בסרט ההרפתקאות הפולחני "ווילו והנסיכה" של הבמאי רון האוורד, אמנם פריצת הדרך הגדולה של קילמר הייתה ב"דלתות" של אוליבר סטון, שם גילם את כוכב הרוק האגדי ג'ים מוריסון. סרטים אחרים בכיכובו של קילמר: "רומן על אמת" של טוני סקוט, "טומבסטון", "באטמן לנצח", "המלאך", "היט" של הבמאי מייקל מאן ובדרמה "במבט ראשון" של הבמאי אירווין וינקלר. בקרוב יהיה ניתן לראות אותו במותחן הפעולה החדש של רני הרלין ""Mindunters ובאפוס "אלכסנדר" של אוליבר סטון.
