Родился 10 апреля 1973 года в Булонь-Бийанкуре (Франция).
Родители Гийома - фремеры-коневоды, поэтому детство будущий актер провел в сельской местности Сын коневодов, недалеко от Парижа. По понятным причинам Кане в юности собирался стать жокеем, но из-за полученной травмы был вынужден  поменять свои планы.
Окончив актёрские курсы Франсуа Флорана, в 1994 году Гийом Кане дебютировал на сцене театра Эберто. Так началась его успешная актерская карьера. После ряда удачных ролей в европейских фильмах в 2006 году Кане как режиссер поставил детектив «Не говори никому», имевший большой успех у критиков и публики.
В 2001—2006 годах Гийом состоял в браке с актрисой Дайан Крюгер.
С 2007 года встречался с актрисой Марион Котийяр, с которой сыграл в фильмах «Влюбись в меня, если осмелишься» и «Последний полет».
19 мая 2011 у пары родился сын Марсель.

Фильмография

Актер 
Boy and His Shoe  /2012
Новая война пуговиц /La guerre des boutons/ 2011
Прошлой ночью в Нью-Йорке /Last Night/2010
Шпионы /Espion(s)/ 2009
Последний полет /Le dernier vol/ 2009
Последнее задание /Farewell/ 2009
Командировка /Voyage d'affaires/ 2008
Кровные узы /Liens du sang, Les/ 2008
Clé du problème, La /2008
Просто вместе /Ensemble, c'est tout/ 2007
Ключ /La clef/ 2007
Билет в космос /Un ticket pour l'espace/ 2006
Не говори никому /Ne le dis а personne/ 2006
Счастливого Рождества /Joyeux Noël/ 2005
Ад /Enfer, L'/ 2005
Глюк /Narco/ 2004
Electrochoc /2004
Влюбись в меня, если осмелишься /Jeux d'enfants/ 2003
Брат Воина /Frère du guerrier, Le/ 2002
Владельцы /Mille millièmes/ 2002
Как скажешь /Mon idole/ 2002
Видок /Vidocq/ 2001
Жало рассвета /Morsures de l'aube, Les/ 2001
Пляж /Beach/ 2000
Верность /Fidélité, La/ 2000
День, когда вернулись лошадки /Day the Ponies Come Back/ 2000
J'peux pas dormir... /2000
Je règle mon pas sur le pas de mon père /1999
Porteur de destins, Le /1999
Trait d'union /1999
Те, кто меня любят, поедут поездом /Ceux qui m'aiment prendront le train/ 1998
В самое сердце /En plein coeur/ 1998
Sentimental Education  /1998
Кавалер Пардайон /Pardaillan/ 1997
Барракуда /Barracuda/ 1997
Vocation d'Adrienne, La /1997
Cheval de coeur, Le /1996
Voyage de Pénélope, Le /1996
17 ans et des poussières /1996
Je m'appelle Régine /1996
Ils n'ont pas 20 ans /1995
Fils unique /1995
Colline aux mille enfants, La /1994
Жанна /Jeanne/ 1994
Алис Невер / Juge est une femme, Le/ 1993

Режиссер
Маленькие секреты /Les petits mouchoirs/ 2010
Не говори никому /Ne le dis а personne/ 2006
Как скажешь /Mon idole/ 2002
J'peux pas dormir... /2000
Scénario sur la drogue /2000
Люблю /Je taim/ 1998
Sans regrets /1996

Сценарист
Маленькие секреты /Les petits mouchoirs/ 2010
Не говори никому /Ne le dis а personne/ 2006
Как скажешь /Mon idole/ 2002
J'peux pas dormir... /2000
Люблю /Je taim/ 1998