Родители – Боб и Куки Филлион – преподавали английский язык. Натан – второй ребенок в семье. Его старшего брата зовут Джефф. В венах Натана течет кровь переселенцев из Франции и Ирландии.
Согласно семейной легенде, одним из предков Натана Филлиона был генерал-лейтенант конфедератов Джубала А. Эрли, который в молодости участвовал в войне с племенами семинолов, позже ушел в отставку и занялся юридической практикой; с началом Гражданской войны он вернулся в армию и прослыл одним из самых одаренных командиров. Будучи полковником армии Конфедерации, Эрли командовал 24-м вирджинским пехотным полком. Он пользовался уважением солдат, которые прозвали его «Старый Джуб». Ему покровительствовал генерал Ли. Эрли участвовал в сражении при Геттисберге, выдержав все три дня ожесточенной битвы. Его солдаты прикрывали отступление генерала Ли в последний день сражения. После поражения конфедератов Эрли скрылся в Мексике, откуда уплыл на Кубу, а оттуда перебрался в Канаду и поселился в Торонто. Там он подготовил книгу мемуаров «Воспоминания о последнем годе войны за независимость Конфедеративных штатов Америки», которая была опубликована в 1867 году. Кроме того, Эрли написал рад статей для Южного исторического общества. Позже его амнистировали, и он вернулся в Вирджинию, где снова занялся юридической практикой. До конца своих дней Эрли оставался ярым противником политики победивших северян и проводимых ими реформ южных штатов.
Возможно, образ несгибаемого мятежника, который проиграл войну, но так и не был побежден, вдохновил Натана на создание образа капитана Малькольма Рейнольдса в фантастическом телесериале «Светлячок». Но обо всем по порядку.
Филлион-младший учился в Католической гимназии Святой Троицы, Альбертском колледже университета Конкордии и в самом Альбертском университете. Будучи студентом, Филлион увлекся театром и стал подумывать о карьере в кинематографе.
Первая роль Натана Филлиона была эпизодической: он сыграл младшего офицера Тома Джардина в основанном на реальных событиях фильме «Испытание в Арктике» (Ordeal in the Arctic, 1993). Там рассказывалось о падении транспортного самолета в условиях плохой погоды на севере, из-за чего погибло пятеро членов экипажа. Персонаж Филлиона погибает одним из первых, поэтому молодой актер появился на экране всего на несколько минут.
После этого Натан перебрался в Нью-Йорк, где снялся в трех сериалах. Тогда он был выдвинут на премию «Эмми» как выдающийся молодой актер, но награду не получил, уступив конкурентам. Вероятно, актер решил, что карьеру нужно делать ближе к Голливуду, и уехал в Лос-Анджелес, где почти сразу получил эпизодическую роль в крупномасштабном проекте Стивена Спилберга «Спасти рядового Райана» (Saving Private