Es conocido por su papel de capitán Malcolm Reynolds en la serie de Joss Whedon ?Firefly? y por haber interpretado el papel del falso ?Ryan? (el soldado al que toman por el que ha desaparecido) en Salvar al soldado Ryan. El año pasado volvió a encarnar a Reynolds en Serenity, película basada en la serie ?Firefly?. Sus rodajes más recientes han sido la comedia romántica Waitress y el thriller sobrenatural White Noise 2: The Light.
Fillion ha aparecido también en la película independiente Water?s Edge y en títulos como Dracula 2001, Buscando a Eva, Un caso para dos... En la pequeña pantalla ha trabajado en series como ?One Life to Live? (por la fue nominado para un Emmy), ?Tres para todo?, ?Buffy la cazavampiros?, ?Pasadena?, ?Miss Match?, etc.
Actuó en funciones del Edmonton Fringe Festival y con grupos de comedia locales y luego se trasladó a Estados Unidos para proseguir su carrera de actor.