Ранняя жизнь

Натан появился на свет в городе Эдмонтон, Канада. Воспитывался в семье Куки и Боба Филлион, которые были отставными учителями английского. В семье было двое сыновей, Натан был младшим.
Натан учился в Католической гимназии Святой троицы, затем в Альбертском колледже университета Конкордии. После окончания колледжа поступил в Альбертский университет. Натан является потомком генерал-лейтенанта Конфедерации Джубала А. Эрли. У него в роду также есть франко-канадцы и ирландцы.
Натан работал в театре и участвовал в нескольких канадских теле- и кинофильмах. В 1994 году Филлион переехал в Нью-Йорк. Здесь он снялся в телесериале «Одна жизнь, чтобы жить» в роли Джоуи Бьюкенана. За роль в этом сериале в 1996 году актер был номинирован на премию «Эмми» в категории «Выдающийся молодой актёр». Филлион ушёл из сериала, для того чтобы участвовать в других проектах.
Натан переехал в Лос-Анджелес. Там он снялся во второстепенной роли в комедийном сериале «Два парня, девушка и пиццерия», а также в фильме «Спасти рядового Райана», где играл Джеймса Фредерика Райана. После этого фильма, в 2002 году, актера пригласили на роль в фантастический сериал «Светлячок», Джосса Видона, в котором он сыграл капитана Малкольма Рейнолдса. Натан получил награду за эту роль в категории «Лицо будущего поколения» от Академии фантастики, фэнтези и фильмов ужасов. В 2003 году телесериал отменили. В 2005 году на экраны вышла его киноадаптация «Миссия „Серенити“», в которой актер вновь играл свою роль. Затем Натан снялся в последнем сезоне телесериала «Баффи — истребительница вампиров», в котором Филлион исполнил роль Калеба, второстепенного персонажа. Как вспоминает Натан, время, проведённое на съёмках «Светлячка», было самым весёлым из всех телесериалов. После окончания съемок «светлячка», актриса Джевел Стэйт дала Натану прозвище Капитан Тесные Штаны, оно так с ним и осталось.
После этого в 2001 году Натан озвучил персонажа в мультсериале «Царь горы», а также персонажа Гао Младшего в игре «Jade Empire».
Филлиону в 2006 году пришло приглашение на главную роль в фильме ужасов Джеймса Ганна «Слизняк», в котором он играл роль шерифа Билла Парди. За эту роль он был номинирован на награду журнала «Fangoria» в категории «Чувак с которым лучше не шутить».
В 2007 Натан снялся в романтической комедии «Официантка» Эдриэнн Шелли. Затем исполнил главную роль в фильме ужасов «Белый шум 2: Сияние».