แกรนด์ดยุกกีโยมพระราชสมภพในเมืองลักเซมเบิร์ก เป็นพระโอรสพระองค์โตในแกรนด์ดยุคอ็องรีที่ 1 แห่งลักเซมเบิร์กกับแกรนด์ดัชเชสมาเรีย เตเรซาแห่งลักเซมเบิร์ก พระองค์มีพระอนุชาและพระขนิษฐารวม 4 พระองค์ได้แก่ เจ้าฟ้าชายเฟริกซ์แห่งลักเซมเบิร์ก, เจ้าฟ้าชายหลุยส์แห่งลักเซมเบิร์ก, เจ้าฟ้าหญิงอเล็กซานดราแห่งลักเซมเบิร์ก, เจ้าฟ้าชายเซบาสเตียนแห่งลักเซมเบิร์ก พระองค์ทรงเป็นผู้อุปถัมภ์พระอนุชาองค์เล็กคือ เจ้าฟ้าชายเซบาสเตียนแห่งลักเซมเบิร์ก,พระญาติ เจ้าฟ้าชายปอล หลุยส์แห่งนัสเซา,เจ้าชายแอมานุแอลแห่งเบลเยียม,เจ้าหญิงอารียานแห่งเนเธอร์แลนด์และพระภาติยะของพระองค์คือ เจ้าชายโนอาห์แห่งนัสเซา

พระองค์ทรงศึกษาที่ ไรชี โรเบิร์ต-ชลีมันน์ ในลักเซมเบิร์กจากนั้นทรงศึกษาที่สวิตเซอร์แลนด์และพระองค์ได้เข้าฝึกในวิทยาลัยการทหารของประเทศอังกฤษ ที่ซึ่งทรงเข้าศึกษาในมหาวิทยาลัยเดอร์แฮมและมหาวิทยาลัยบรูเนลศึกษาด้านการปกครองสากล ท้ายสุดทรงศึกษาที่มหาวิทยาลัยแองเกอร์ ประเทศฝรั่งเศสด้านอักษรศาสตร์และรัฐศาสตร์