Il protagonista di Firefly, celebre serie televisiva di fantascienza creata dall'autore di Buffy l'ammazzavampirie Angel, è un attore canadese figlio di ex insegnanti di Lingua e Letteratura Inglese. Frequenta la Concordia University College of Alberta e poi l'Università della stessa città.
Comincia a lavorare per la televisione e per il teatro: trasmissioni sportive, teatrale, finanche soap-opera del tutto improvvisate, come Die-Nasty. Si trasferisce a New York nel 1994, sempre per una soap-opera, per la quale viene nominato agli Emmy Award nella categoria miglior promessa. Nel 1997 abbandona la serie (ci torna, in un cameo, nel 2007) per seguire altri progetti e trasferirsi a Los Angeles, capitale dei sogni per qualsiasi aspirante attore.
Accetta piccoli ruoli di supporto, ma finisce così anche nel cast diSalvate il soldato Ryan(1998) di Steven Spielberg. Nel 2002 è ingaggiato nel ruolo del Capitano Malcolm Reynolds, il protagonista di Firefly appunto. Vince premi su premi, sia in categorie riservate alle opere di fantascienza sia in ambiti più generalisti. Per Joss Whedon, il creatore della serie, è ancora nel cast di Serenity e di Buffy, in cui interpreta Caleb. Presta la voce a serie animate e a videogiochi (tra cui "Halo 3") fino al nuovo successo di Slither (2006), horror omaggio alla fantascienza povera degli anni Cinquanta diretto da James Gunn, già pupillo Troma; e vince il Fangoria Chainsaw Award.
È in Waitress - Ricette d'amore, ultimo film diretto e interpretato da Adrienne Shelly, uccisa in circostanze tragiche; poi in White Noise 2 e nella stagione 2006-2007 di Lost.
Nell'ottobre 2006 firma un importante contratto con la Fox Broadcasting Company per la serie tv Drive, che debutta sulla Fox nella primavera del 2007. Nell'autunno dello stesso anno, l'attore si unisce al cast di Desperate Housewives, per la ABC.