เจ้าชายกีโยมแห่งลักเซมเบิร์ก เป็นพระโอรสพระองค์เล็กใน แกรนด์ดยุกฌ็องแห่งลักเซมเบิร์ก กับ แกรนด์ดัชเชสโฌเซฟีน-ชาร์ล็อตแห่งลักเซมเบิร์ก พระองค์เป็นพระอนุชาใน แกรนด์ดยุกอ็องรีแห่งลักเซมเบิร์ก ทรงเป็นพระราชนัดดาใน สมเด็จพระราชาธิบดีเลโอโปลด์ที่ 3 แห่งเบลเยียม ผ่านทางสายพระราชมารดา พระองค์เสกสมรสกับ นางสาวซิบิลลา ซานดรา วอลเลอร์ ทอรโลเนีย พระนัดดาใน เจ้าหญิงเบียทริซแห่งสเปน และเป็นพระราชปนัดดาใน พระเจ้าอัลฟองโซที่ 13 แห่งสเปน และ วิกตอเรีย ยูจีนีแห่งบัทเทนแบร์ก สมเด็จพระราชินีแห่งสเปน รับพระราชทานพระอิสริยยศ เจ้าหญิงแห่งลักเซมเบิร์ก มีพระโอรส-ธิดารวม 3 พระองค์