Сын коневодов, Кане провёл своё детство в сельской местности недалеко от Парижа. В юности Гийом хотел стать жокеем, но не сложилось: он упал с лошади и получил травму, которая поставила крест на дальнейших тренировках. В детстве Гийом учился в частной школе Saint-Louis-Notre-Dame Du Bel Air в Монфоре, Франция. Позже он окончит актёрские курсы Франсуа Флорана. В 1994 году дебютировал на сцене театра Эберто. Его амплуа — наивные молодые люди, романтичные и неопытные в любовных отношениях.
Поработав некоторое время в рекламе и на телевидении, Кане начал сниматься сначала в короткометражном, а затем и полнометражном кино.
В 1997 году вышел фильм «Барракуда». За роль в картине Кане получил награду Фестиваля Сен-Жан-де-Люза в номинации «Лучший актёр» в 1999 году. В том же году Кане получил номинацию на Премию Сезар за роль в комедии «В самое сердце». Затем начались съёмки фильма «Пляж» режиссёра Дэнни Бойла, а после — картин «День, когда вернулись лошадки» и «Верность», в которой партнёршей по съёмочной площадке Кане стала знаменитая Софи Марсо.
В 2002 году Кане сыграл в фантастическом фильме «Видок» вместе с Жераром Депардьё. В том же году он впервые выступил режиссёром и сценаристом, в его фильме «Как скажешь» сыграла Диана Крюгер.
В 2003 году вышел фильм «Влюбись в меня, если осмелишься», впоследствии ставший хитом. В главных ролях в фильме сыграли Гийом Кане и Марион Котийяр. Следующим фильмом с Кане стала картина «Счастливого Рождества», в котором также сыграла Диана Крюгер, в 2006 году был номинирован на Премию Оскар как «Лучший фильм на иностранном языке»(Франция).
В 2006 году Кане выпустил ещё один свой проект. Над картиной «Не говори никому» Кане работал как режиссёр и сценарист. В основу фильма лёг роман Харлана Кобена. В главной роли в картине выступил известный французский актёр Франсуа Клюзе. Кане также сыграл в фильме небольшую роль. Фильм получил четыре премии Сезар, в том числе за лучшую режиссуру.
Премьера триллера Гийома Кане «Кровные узы» состоялась на 66-м Каннском кинофестивале 20 мая 2013 года.
В 2018 году на Каннском кинофестивале состоялась премьера комедии «Непотопляемые» режиссёра Жиля Леллуша, в которой Гийом Кане исполнил одну из главных ролей. Его партнёрами по съёмочной площадке стали такие знаменитые актёры, как Матьё Амальрик, Бенуа Пульворд, Жан-Юг Англад, Виржини Эфира, Лейла Бехти и Марина Фоис. В драматической комедии Николя Бедоса «Прекрасная эпоха» Кане исполнил роль преуспевающего антрепренёра, который помогает главному герою отправиться в прошлое, чтобы он смог вновь пережить первую встречу со своей будущей женой.
