Se labró una reputación de culto cuando hizo del capitán Malcom Reynolds en la serie de televisión de Joss Whedon, aclamada por la crítica, "Firefly". Fillion tiene previsto protagonizar la muy esperada serie de Fox, "Drive". La serie, de la que Tim Minear es productor ejecutivo, sigue los pasos de una carrera de coches clandestina por los Estados Unidos. Fillion va a interpretar a un paisajista que en contra de su voluntad acepta unirse a la carrera en un intento de lograr el retorno a casa de su mujer, la cual ha sido secuestrada. Más recientemente, se le ha podido ver en el largometraje de Universal, SLITHER: LA PLAGA, una comedia de terror dirigida por James Gunn y coprotagonizada por Elizabeth Banks. Próximamente va a participar en el rodaje de la película WHITE NOISE 2 en 2007.

Entre los restantes trabajos de Fillion para la gran pantalla se pueden destacar la película SERENITY, en la que volvió a trabajar con el director Joss Whedon; SALVAR AL SOLDADO RYAN, en la que encarnaba al soldado confundido por error con el soldado Ryan; la película independiente ENTRE AGUAS; BUSCANDO A EVA; DRACULA 2000; y DOUBTING REILLY. En la pequeña pantalla, Fillion obtuvo una nominación al Emmy® por su papel en el drama de horario matinal, "One Life to Live". Entre sus restantes trabajos para la pequeña pantalla cabe mencionar la película de la semana de la ABC, "Ordeal in the Arctic", así como también papeles en las series "Two Guys and a Girl", "Buffy, cazavampiros", "Pasadena" y "Miss Match".

Natural de Edmonton, Alberta, Fillion quiso ser profesor de instituto y estudió para ello en la Universidad de Alberta. Posteriormente, protagonizó producciones del Edmonton Fringe Festival y actuó con grupos de comedia de la ciudad antes de tratar de hacer carrera en Nueva York y en Los Ángeles.