Родился 27 марта 1971 года в канадском городе Эдмонтон. Родители были преподавателями английского, и мальчик собирался пойти по их стопам. После окончания католической гимназии Святой троицы он учился в университете Конкордии и в Альбертском университете. Драматическое искусство долгие годы было для Натана лишь хобби, пока он не выиграл кастинг на роль в сериале «Одна жизнь, чтобы жить». Это изменило его планы на жизнь: для съемок в проекте он переехал в Нью-Йорк, а уже через пару лет номинировался на телевизионную премию «Эмми».
После окончания работы над сериалом Филлион перебрался в Лос-Анджелес, чтобы продолжить актерскую карьеру. Его выбирали на эпизодические роли. Так, он исполнил одну из ролей в мистическом сериала «За гранью возможного», отметился в сериалах «Абсолютная безопасность», «Два парня, девушка и пиццерия» и в картинах «Спасти рядового Райана», «Взрыв из прошлого». Более заметным стало участие актера в фильме ужасов «Дракула 2000», после чего он получил главную роль в новом фантастическом сериале «Светлячок». В 2003-м году на экраны вышли несколько эпизодов сериала «Баффи – истребительница вампиров» с участием Натана. Постепенно его популярность в сфере кинопроизводства росла, Филлиона выбрали на ключевую роль в триллере «У края воды» (2003). В 2005-м году он сыграл в киноадаптации сериала «Светлячок», фантастическом фильме «Миссия „Серенити”». Затем с его участием вышел фильм ужасов «Слизняк», кроме того, актер появился в одном из эпизодов популярного сериала «Остаться в живых». В последующие годы Натан снялся на главных и второстепенных ролях в целом ряде проектов, среди которых комедийная драма «Официантка», фильм ужасов «Белый шум 2: Сияние», сериалы «Отчаянные домохозяйки» и «Гонка», драма «Дальнобойщица» и мини-сериал «Музыкальный блог Доктора Ужасного».
Значительную известность актеру принесла работа в популярном сериале «Касл», который пришелся по вкусу зрителям: уже представлено пять сезонов, и съемки продолжаются. Кроме того, Филлион занимался озвучиванием мультипликационных персонажей в таких фильмах, как «Робоцып», «Лига справедливости», «Чудо-женщина» и «Царь горы».
