Nathan Fillion 27 Mart 1971 tarihinde Edmonton, Alberta, Kanada'da doğdu. Her ikisi de emekli İngilizce öğretmeni olan Cookie (Early) ve Bob Fillion'un oğludur ve Jeff adında bir ağabeyi vardır. Babası Fransız-Kanada kökenli, annesi ise İngiliz, Alman, Fin ve Norveç kökenlidir. Kanada'da Holy Trinity Katolik Lisesi'ne, Concordia University College of Alberta'ya ve Alberta Üniversitesi'ne devam etmiştir. 1994'te New York'a taşınmadan önce, Rapid Fire Theatre ile Theatresports ve doğaçlama pembe dizi Die-Nasty de dahil olmak üzere doğaçlama tiyatroya katıldı. Ayrıca Richard Chamberlain'in oynadığı Ordeal in the Arctic (1993) ve Strange and Rich (1994) adlı TV filmlerinde rol aldı.Fillion'un ilk düzenli rolü bir gündüz pembe dizisi olan One Life to Live'da (1968) Joey Buchanan rolüydü ve bu rolüyle 1996'da Gündüz Emmy Ödülü'ne aday gösterildi. Üç yıl sonra 1997'de diziden ayrıldı. 1990'ların sonlarında Er Ryan'ı Kurtarmak (1998) ve Geçmişin Sığınağı (1999) filmlerinde küçük rollerde yer aldı. Fillion ayrıca Das Bootie (1997), Mama's Got a Brand New Bag (1998) ve Starcrossed (1999) dizilerinde konuk oyuncu olarak rol aldı. O zamana kadarki en büyük çıkışını 1998 yılında, Traylor Howard, Ryan Reynolds, Richard Ruccolo ve Suzanne Cryer ile birlikte Two Guys, a Girl and a Pizza Place'in (1998) 2. sezonunda Johnny Donnelly rolüyle yaptı. Two Guys" 2001 yılında sona erdikten sonra Fillion, Joss Whedon'ın Firefly (2002) dizisinde Kaptan Malcolm Reynolds rolüyle eleştirmenlerin beğenisini ve büyük bir hayran kitlesi kazandı. Ne yazık ki dizi 2002 sonlarında erkenden iptal edildi. Ayrıca kısa ömürlü iki TV dizisi olan Pasadena (2001) dizisinde Rev. Glenn Collins ve Miss Match (2003) dizisinde Adam Logan rolüyle konuk oyuncu olarak yer aldı. 2003 yılında Whedon, Fillion'a Vampir Avcısı Buffy'nin (1997) final sezonunda kötü adam olan sapkın vaiz Caleb rolünü verdiğinde Fillion'a yelpazesini sergilemesi için bir şans daha verdi. Fillion, "Firefly" öncesinde ve sonrasında Dracula 2000 (2000), Alligator Point (2003), Water's Edge (2003), Outing Riley (2004) ve Hollywood Division (2004) gibi birçok filmde rol aldı.Whedon, "Firefly"'ı bir şekilde diriltmeye söz verdi ve Fillion, Serenity adlı uzun metrajlı filmde Kaptan Reynolds'ı tekrar canlandırdı: Gizemli Yolculuk (2005) filminde tekrar canlandırdı. Fillion bu filmin ardından korku-komedi Yaratıklar (2006), Beyaz Gürültü 2: Işık (2007), bağımsız hit Garson Kız (2007) filminde Keri Russell'la birlikte ve Kamyoncu (2008) filminde daha fazla başrol oynadı. Ayrıca, kısa ömürlü Fox-TV dizisi Drive'da (2007) başrol oynayarak ve ABC'nin Umutsuz Ev Kadınları'nın (2004) 4. sezonunda Dana Delany ile birlikte Dr. Adam Mayfair olarak yinelenen bir rolde görünerek televizyonda bir güç olmaya devam etti. Ayrıca I Do'da (2006) yer aldı ve birçok video oyununda (örneğin Halo 3 (2007)) seslendirme yaptı. 2008'de Whedon'ın müzikal internet hit filmi Dr. Horrible's Sing-Along Blog'da (2008) Neil Patrick Harris, Felicia Day ve Simon Helberg ile birlikte Captain Hammer olarak ilk şarkıcı rolünü aldı (ve kült cazibesini pekiştirdi). 2009 yılında, ABC'nin hit televizyon dizisi Castle'da (2009) baş karakter Richard Castle olarak rol aldı. Dizi 160'tan fazla bölüm yayınladı ve Nathan Fillion 2016 itibariyle Favori Dramatik TV Aktörü dalında dört People's Choice Ödülü kazandı. Fillion 2018'de The Rookie (2018) dizisinde, hayatını değiştiren bir olaydan sonra LAPD'de çaylak bir polis memuru olarak göreve başlayan müteahhit John Nolan rolüyle başrolü üstlendi. Castle"'da rol almasının yanı sıra, Super (2010) filminde Kutsal İntikamcı, Joss Whedon'un Much Ado About Nothing (2012) filminde beceriksiz güvenlik şefi Dogberry, Percy Jackson gibi birçok filmde rol aldı: Canavarlar Denizi'nde (2013) Hermes rolünde ve Thrilling Adventure Hour Live'da (2015) seslendirme sanatçısı olarak sayısız başarısı bulunmaktadır: Bright Lights, Dean City'de (2010) Brown Widow rolünde, Wonder Woman'da (2009) Steve Trevor rolünde, Yeşil Fener'de: Zümrüt Şövalyeleri (2011), Adalet Birliği: Kıyamet (2012), Adalet Birliği: Flash Noktası Paradoksu (2013) ve Adalet Birliği: Atlantis Tahtı (2015) filmlerinde Hal Jordan/Yeşil Fener, Robot Chicken'da DC Comics Special'da (2012) Green Lantern/Mr. Freeze olarak, American Dad! (2005), Pixar'ın Sevimli Canavarlar Üniversitesi (2013) filminde Johnny, Galaksinin Koruyucuları (2014) filminde Canavar Mahkûm ve Esrarengiz Kasaba (2012) filminde Preston Northwest karakterlerini seslendirdi. Ayrıca animasyon filmi Yamasong'da başrol Shojun'u seslendirmektedir: March of the Hollows (2017) adlı animasyon filminde başrol Shojun'u seslendirmektedir. Ayrıca Destiny (2014) ve Halo 5: Guardians (2015) gibi video oyunlarındaki karakterleri seslendirmeye devam etti. 2012'de The Daly Superheroes'da kendisi, 2009'da Community'de Bob Waite, 2015'te The Comic Book Store Regeneration'da kendisi, 2015'te Twins'te Mountie McMinniman, 2015'te Con Man'de Jack Moore ve 2015'te Space'te Wernher Von Braun olarak konuk oyuncu olarak yer aldı. Ayrıca Highway of Tears (2015) adlı belgeseli de seslendirmiştir.