Hän näytteli vuonna 2002 lyhytikäisessä kulttihitissä ”Firefly”, joka poiki näytelmäelokuvan ”Serenity”, ja esiintyi useissa elokuvissa, kuten ”Slither”, ”Waitress” ja ”White Noise 2”. Hänellä oli toistuva rooli sarjassa ”Desperate Housewives” vuonna 2006 ja hän esiintyi myös suositussa verkkosarjassa ”Dr. Horrible’s Sing-Along Blog”. Vuodesta 2009 lähtien hän on näytellyt suositussa sarjassa ”Castle”. Syyskuuhun 2015 mennessä Castle on esittänyt 151 jaksoa seitsemällä kaudella.

Fillion on näytellyt Jack Mooren roolia televisiosarjassa Con Man vuodesta 2015. Vuodesta 2016 lähtien hän on näytellyt Rainer Shinea televisiosarjassa Moderni perhe. Hän on antanut äänirooleja moniin videopeleihin, kuten Halo-sarjaan. Fillion on voittanut kaksi Behind the Voice Actors Awards -palkintoa Justice Leaguesta: Doom. Hän on voittanut useita People’s Choice Awards- ja TV Guide Awards -palkintoja ja ollut ehdolla Daytime Emmy Award -palkinnon saajaksi elokuvasta One Life to Live sekä Screen Actors Guild Award -palkinnon saajaksi elokuvasta Desperate Housewives. Fillion perusti yhdessä kirjailija PJ Haarsman kanssa voittoa tavoittelemattoman Kids Need to Read -järjestön vuonna 2007.

Nathan Fillionin palkka
Mikä on Nathan Fillionin palkka per jakso Castlea? $100,000