Филлион родился 27 марта 1971 года в городе Эдмонтон, Альберта, Канада. Его родители, Куки и Боб Филлион, являются отставными учителями английского. У Натана есть старший брат Джефф. Филлион окончил Католическую гимназию Святой троицы, Альбертский колледж университета Конкордии и Альбертский университет. По словам Филлиона, он является потомком генерал-лейтенанта Конфедерации Джубала А. Эрли. Среди его предков также числятся франкоканадцы и ирландцы.

После работы в театре и участия в нескольких канадских теле- и кинофильмах, Филлион переехал в Нью-Йорк в 1994 году, где он снимался в мыльной опере «Одна жизнь, чтобы жить» в роли Джоуи Бьюкенана, за которую в 1996 году он был номинирован на награду «Эмми» в категории «Выдающийся молодой актёр».

В 1997 году, Филлион ушёл из сериала ради других проектов (правда он вернулся на несколько серий в 2007 году). Переехав в Лос-Анджелес, он снялся во второстепенной роли в ситкоме «Два парня, девушка и пиццерия» и в фильме «Спасти рядового Райана» в роли Джеймса Фредерика Райана.

В 2002 году, Филлион снялся в роли капитана Малкольма Рейнолдса в фантастическом телесериале Джосса Видона «Светлячок». За эту роль он получил награду в категории «Лицо будущего поколения» (англ. Cinescape Genre Face of the Future - Male от Академии фантастики, фэнтези и фильмов ужасов.

Хотя в 2003 телесериал был отменён, в 2005 году на экраны вышла его киноадаптация «Миссия „Серенити“», где Филлион вновь вернулся к своей роли. В финальном сезоне другого телесериала Видона, «Баффи — истребительница вампиров», Филлион сыграл второстепенного персонажа Калеба. По словам Филлиона, время проведённое им на съёмках «Светлячка» было самым весёлым из всех телесериалов.

После окончания съёмок «Светлячка», актриса Джевел Стэйт прозвала его Капитан Тесные Штаны. Это прозвище так с ним и осталось.

Филлион озвучил второстепенного персонажа в мультсериале «Царь горы» (2001), а также персонажа Гао Младшего в игре «Jade Empire». В 2006 году Филлион снялся в главной роли фильма ужасов Джеймса Ганна «Слизняк». За свою роль шерифа Билла Парди, он был номинирован на награду журнала «Fangoria» в категории «Чувак с которым лучше не шутить». В этом же году сыграл эпизодическую роль в нашумевшем сериале «Остаться в живых» в серии Я согласна.

В 2007 Филлион снялся в романтической комедии «Официантка» покойной Эдриэнн Шелли и сыграл главную роль в фильме ужасов «Белый шум 2: Сияние». В этом же году Натан появляется в четвёртом сезоне популярной дреммедии «Отчаянные домохозяйки». Также исполняет одну из главных ролей в телесериале «Гонка», который, несмотря на довольно интересный сюжет, был закрыт после 6 эпизодов. В среде телефанатов, после этого провала, за Натаном закрепилось амплуа «убийцы сериалов», так как сериалы, в которых он играл главные роли, со странной периодичностью закрывались.

С нехорошими предчувствиями фанаты встретили новую работу Натана на сериальном поприще — «Касл», повествующей об известном писателе Рике Касле, который, благодаря своему нестандартному мышлению и писательскому таланту, помогает полиции Нью-Йорка раскрывать запутанные преступления. Образ проницательного романиста настолько хорошо удался Натану, что вслед за первым сезоном, состоящим из десяти серий, вышел второй и идет показ третьего, объем которых был увеличен до полного.