Originar din Canada, Nathan Fillion visează de foarte tânăr să o ia pe urmele părinților săi și să lucreze în învățământ. Dar destinul va decide altceva pentru el. În perioada studiilor de la universitatea locala este contaminat cu virusul comediei, participând la Festivalul de teatru din orasul său și la câteva spectacole. Devine pasionat de comedie și se decide să se mute în Statele Unite pentru a începe o carieră de actor. Fizicul său atrăgător îi permite să obțină în 1994 rolul lui Joey Buchanan din serialul One Life to Live. Dar serialul nu îi oferă însă prea multe perspective, trebuind să se mulțumească doar cu roluri secundare pe micul și marele ecran. După o apariție scurtă în sitcomul Spin City joacă în infernul din Saving Private Ryan. Obține în 1998 un rol în Two Guys, a Girl and a Pizza Place iar anul următor devine ex-ul Aliciei Silverstone în Blast from the Past. Obține mai multe roluri în sutană: Dracula 2000, Pasadena sau Buffy the Vampire Slayer. Interpretarea rolului părintelui Caleb, arogant și misogin, din serialul lui Joss Whedon, este rampa de care avea nevoie cariera sa. În 2002, Joss apelează din nou la el pentru serialul Firefly. Anulat, este reluat la cererea publicului sub formă de lung metraj sub numele Serenity. Un lung metraj datorită căruia Nathan este remarcat de către public. După Firefly urmează câteva roluri în Miss Match, Alligator Point și Hollywood Division. Roluri cu care nu cunoaște însă succesul. Serialul cu care devine din ce în ce mai popular este Castle, unde are rolul unui autor de romane polițiste de succes și consultant al poliției new-yorkeze. Un serial în care formează un duo foarte fermecător cu actrița Stana Katic de care publicul s-a lăsat foarte repede sedus. Pe lângă Castle mai apare pe marele ecran cu Green Lantern: Emerald Knights, Percy Jackson: Sea of Monster și Henchmen din 2016.