Se inició en las inferiores del Club Sport Norte América, estuvo hasta la sub-20 y no lograría debutar en el primer equipo. El 8 de mayo de 2015 fue fichado por Emelec, aunque 2 meses después (el 8 de julio del mismo año), fue desvinculado del conjunto millonario porque no superó los filtros que el Club tenía implementados sobre los integrantes de su plantel,^[1]​ por lo que volvería al Norte América. En 2015 tuvo un breve paso por Deportivo Azogues de la Serie B de Ecuador donde anotó un gol. Fue considerado por la prensa como uno de los futbolistas ecuatorianos con mayor proyección.^[2]​

Para el 2016 ficharía por Aucas en calidad de préstamo. Debutó en febrero de ese mismo año frente a Fuerza Amarilla.^[3]​ Sus buenas actuaciones con el conjunto oriental despertaría el interés de varios clubes. Dejaría un registro de 24 partidos y 1 gol.^[3]​ Al final del 2016 dejaría Aucas y regresaría al Norte América al concluir su préstamo.

En marzo del 2017 se haría oficial su fichaje por Barcelona Sporting Club, comenzaría jugando en las inferiores del cuadro canario. Para el 2018 sería ascendido al primer equipo. Debutó con el primer equipo de Barcelona el 17 de febrero de 2018 en la victoria 1-0 frente a Técnico Universitario.^[4]​

Marco su primer gol en 4 de noviembre de 2018 en la victoria 3-1 frente a su ex equipo Aucas.^[5]​

En el año 2020 se convierte en pieza fundamental del equipo, teniendo una gran participación en el Campeonato Ecuatoriano Serie A, del cual lograría coronarse campeón.^[6]​

En el año 2021, fue uno de los jugadores más importantes de su equipo, llegando a semifinales de la Copa Libertadores 2021.

El 10 de julio del mismo año fue condecorado por llegar a los 100 partidos con Barcelona.^[7]​ Además se anunció su renovación con los toreros hasta el 2025.^[8]​

Castillo es uno de los mejores jugadores de Barcelona SC y del campeonato ecuatoriano. Sus grandes despliegues por la banda diestra, jugando como lateral o como ofensivo, son una verdadera pesadilla para sus rivales, a lo que se añade su gran capacidad pulmonar para correr con la misma intensidad durante los 90 minutos reglamentarios. En la temporada 2021 lleva disputados ocho partidos de nueve posibles en la LigaPro y uno en Copa Libertadores; en todos arrancó como titular. Ha marcado dos goles y también ha asistido en dos ocasiones. Ante Santos fue uno de los más destacados, y nubló por completo al habilidoso venezolano Yeferson Soteldo, el 10 del Peixe.

El Universo (23 de abril de 2021).^[9]​

El 10 de junio se confirmó su vinculación al Club León de la Primera División de México, siendo sus derechos deportivos adquiridos por el Grupo Pachuca.^[10]​^[11]​ Debutaría el 4 de julio en la victoria 2-1 ante Atlético San Luis.

El 16 de junio de 2023 fue presentado en el Club de Fútbol Pachuca como refuerzo para el Torneo Apertura 2023.^[12]​

El 3 de enero de 2024 fue anunciado por el Club Atlético Peñarol de la Primera División de Uruguay.^[13]​^[14]​

Fue el capitán de la selección sub-17 de Ecuador, disputando el Campeonato Sudamericano de Fútbol Sub-17 de 2015 que se realizó en Paraguay, quedando subcampeones y clasificando a la Copa Mundial sub-17 que se realizó en Chile.^[15]​ En aquel torneo llegarían hasta los cuartos de final.

También fue parte de la selección sub-20 de Ecuador, aunque la FEF lo separó del equipo horas antes de debutar en el Campeonato Sudamericano Sub-20 de 2017 al tener indicios de una supuesta adulteración de identidad.^[16]​

Al ratificarse su nacionalidad ecuatoriana, sería convocado para disputar la triple fecha de septiembre de 2021, correspondiente a Eliminatorias a Catar 2022, frente a Paraguay, Chile y Uruguay. Debutó el 2 de septiembre en la victoria 2-0 frente a Paraguay.

En octubre fue convocado para la triple fecha, frente a Bolivia, Venezuela y Colombia, aunque tuvo que abandonar la convocatoria, ya que salió lesionado en el encuentro frente a Bolivia. Más tarde en su reemplazo sería convocado José Hurtado.

El 24 de marzo de 2022, lograría la clasificación a la Copa Mundial de Catar 2022, tras ser derrotados 3-1 por Paraguay, sin que este resultado negativo interfiera. Debido a la resolución del TAS, y para evitar problemas legales, la selección de Ecuador excluyó a Castillo de la lista final de convocados para Catar 2022.^[17]​

  Actualizado al último partido disputado el 12 de noviembre de 2022.

  Actualizado al último partido disputado el 1 de marzo de 2025.

En 2017 se especulaba que su verdadera nacionalidad era colombiana y era originario de Tumaco, después de que se filtraran varias denuncias sobre que no era de nacionalidad ecuatoriana. Jaime Lara, un directivo de la FEF, llevó una investigación para determinar su verdadera nacionalidad. Sus indicios apuntaban a que había actuado como ecuatoriano con documentos falsos.^[22]​ Finalmente en 2021, se ratificó su nacionalidad ecuatoriana, después de que los jueces pertinentes negaron la apelación del Registro Civil.^[23]​

En 2022, nuevamente salieron a la luz las sospechas sobre su nacionalidad, tras la culminación de las clasificatorias para Catar 2022, siendo presentada una denuncia ante la FIFA por la Federación de Fútbol de Chile y siendo el protagonista del Caso Byron Castillo.^[24]​^[25]​ El 10 de junio de 2022, la FIFA mediante un comunicado desestimó la denuncia chilena.^[26]​^[27]​ Pese a que en septiembre de ese año se difundió un audio en el que se escuchaba a Castillo decir que era oriundo de Colombia y que había nacido tres años antes que su fecha oficial de nacimiento, el mismo no fue aceptado como elemento de prueba.^[28]​ De ese modo, el Supremo Tribunal de Arbitraje (TAS) sancionó finalmente a Ecuador con la pérdida de 3 puntos para la eliminatoria del Mundial 2026 y al pago de una multa de 100 mil francos suizos.^[29]​