Fillion se crio en Edmonton (Canadá)? y su educación incluyó un paso por la escuela secundaria católica Holy Trinity, el Concordia University College de Alberta y la Universidad de Alberta.
Desde muy joven sintió un gusto particular por la actuación y fue con su trabajo en "One Life to Live" y en "Two Guys and a Girl" (interpretando a Joey Buchanan y Johnny Donnelly, respectivamente) que se hizo famoso, incluso siendo nominado al premio Daytime Emmy como actor joven destacado en una serie dramática.
Es reconocido por papeles en series y películas como "Firefly", "Castle", "The Rookie" y fue escogido para dar vida a Guy Gardner (Green Lantern) en diversas producciones venideras de DC, incluyendo la película "Superman" y las series "Peacemaker" y "Lanterns".
Lo que muchos no saben es que Fillon prestó su voz para diversos videojuegos de la saga de "Halo" y que tiene una fundación llamada 'Kids Need to Read', destinada a inspirar la imaginación de los niños al conseguir más libros en bibliotecas con fondos insuficientes.