Prinz Guillaume wurde am 11. November 1981 in der Maternité Grande-Duchesse Charlotte in Luxemburg geboren und ist der älteste Sohn Ihrer Königlichen Hoheiten des Großherzogs und der Großherzogin von Luxemburg. Prinz Guillaume besuchte zuerst die Primärschule in Lorentzweiler, anschließend das Lycée Robert Schuman.
Er setzte seine Ausbildung am Collège Alpin Beausoleil in der Schweiz fort, wo er im Jahr 2001 das französische Abitur bestand. Im Zeitraum 2001-2002 durchlief er eine Offiziersausbildung an der Königlichen Militärakademie Sandhurst in Großbritannien. Im Dezember 2002 wurde er als Offizier der luxemburgischen Armee vereidigt, und trägt heute den Grad eines Majors. Nach einem internationalen Politik-Studium in England setzte der Prinz diesen Studiengang in Frankreich fort und nahm zugleich an größeren geopolitischen Ereignissen teil. Am 18. Dezember 2000 wurde Prinz Guillaume offiziell zum Erbgroßherzog ernannt.
Seit Anfang 2001 ist er mit der Ehrenpräsidentschaft des „Board of Economic Development“ betraut. Seine ersten Reisen in dieser Funktion führten ihn nach Südkorea, Italien, Russland, Kanada und in die Vereinigten Staaten von Amerika sowie in die Länder des Mittleren Ostens. Prinz Guillaume ist seit dem 24. Juni 2005 Mitglied des Staatsrats, dessen Plenar- und verschiedenen Kommissionssitzungen er regelmäßig beiwohnt.
Neben seiner Arbeit auf wirtschaftlicher Ebene nimmt der Erbgroßherzog aktiv am sozialen und kulturellen Leben in Luxemburg teil. Der sehr sportliche Prinz spielt gerne Tennis, daneben gehören Skifahren, Schwimmen und Wassersportarten zu seinen bevorzugten Freizeitbeschäftigungen.