Nathan Fillion is onder andere bekend van zijn rol als Adam Mayfair, de veel jongere echtgenoot van Katherine in Desperate Housewives. Zijn bekendste rol tot nu toe is echter die van Captain Malcolm Reynolds in de kortlopende scifi-serie Firefly, die hem veel goede kritieken en een grote schare fans opleverde.

De acteur werd geboren in Edmonton, Alberta en een acteercarrière had in eerste instantie niet zijn interesse. Nathan wilde namelijk leraar worden net als zijn ouders. Hij studeerde hiervoor zelfs aan de universiteit van Alberta. Om zijn studie te bekostigen deed hij daarnaast wat acteerwerk. Na enkele optredens in lokale theaterproducties besloot hij toch het acteervak in te gaan, stopte met zijn studie en verhuisde naar New York.

Zijn eerste rol was in de soap One Life to Live. Hiervoor kreeg hij zelfs een Daytime Emmy nominatie. Daarna volgde rollen in series als Two Guys and a Girl, Drive, Miss Match en Pasadena. Hij deed ooit auditie voor de rol van Angel in Buffy the Vampire Slayer, maar David Boreanaz kaapte die rol voor zijn neus weg. De acteur was later wel te zien als de schurk Caleb in het laatste seizoen van de serie.

Op het grote scherm was Nathan onder meer te zien in Saving Private Ryan, Dracula  2000, Slither en Waitress. Ook werkt Fillion als stemacteur en is hij te horen in de game Halo 3.