Guillaume is geboren op 11 november 1981 in Luxemburg als zoon van groothertog Henri en groothertogin Maria Teresa. Hij heeft drie broers, prins Félix (1984), prins Louis (1986), prinses Alexandra (1991) en prins Sébastien (1992). Zijn peetouders zijn zijn oom Guillaume van Luxemburg en zijn tante Marie-Astrid van Luxemburg. 

Guillaume verlooft zich op 26 april 2012 met de Belgische gravin Stéphanie de Lannoy. Het burgerlijk huwelijk wordt voltrokken op 19 oktober 2012. Een dag later vindt de kerkelijke inzegening plaats in de kathedraal de Notre-Dame in de hoofdstad Luxemburg. Het echtpaar heeft twee zoons: prins Charles en prins François.

Guillaume is de eerste in de lijn van troonopvolging.