Гийом родился в Берлине в семье музыканта. В 1944-1945 годах во время Второй мировой войны служил помощником при зенитной установке. «Берлинер Цайтунг» со ссылкой на историка Гёца Али опубликовала данные, что Гийом состоял в гитлерюгенд и НСДАП. Вернувшись в Берлин, Гийом работал фотографом.
В 1950 году Гийом получил должность редактора в издательстве «Фольк унд Вельт» в Восточном Берлине. В период 1950—1956 годов Гийом был завербован министерством безопасности ГДР и отправлен учиться в ФРГ для подготовки к будущим конспиративным заданиям. В 1951 году Гийом женился на секретарше Христель Боом (нем. Christel Boom), которая также получала образование в ФРГ, являясь агентом госбезопасности ГДР. В браке у Гийомов родился сын Пьер. В 1952 году Гийом вступил в СЕПГ. В 1956 году Гийом по заданию министерства безопасности переехал на постоянное место жительства во Франкфурт-на-Майне и открыл там кофейную лавочку «Boom am Dom».
В 1957 году Гюнтер Гийом вступил в СДПГ. Христель Гийом стала секретарём в партбюро СДПГ в южном Гессене. С 1964 года Гийом перешёл на партийную работу в СДПГ вначале на должность управляющего во франкфуртской организации СДПГ, а с 1968 года — во фракцию СДПГ в городском собрании депутатов. В 1969 году Гийом руководил избирательной кампанией федерального министра транспорта Георга Лебера в его избирательном округе во Франкфурте, продемонстрировав свой организаторский талант и обеспечив министру высокие показатели первых голосов. После выборов Лебер содействовал назначению Гийома референтом в отдел экономической, финансовой и социальной политики ведомства федерального канцлера, где Гийому удалось заслужить доверие вышестоящих начальников. В 1972 году благодаря своей работоспособности и организаторскому таланту Гюнтер Гийом стал личным референтом федерального канцлера Вилли Брандта. На этой должности Гийом получил доступ к секретным документам и участвовал в совещаниях, проводившихся федеральным канцлером в узком кругу. Помимо этого, Гийом был осведомлён о личной жизни Вилли Брандта.
Несмотря на то, что службы безопасности ФРГ ещё в середине 1973 г. располагали уликами в отношении супругов Гийом, до их ареста прошёл почти год. 24 апреля 1974 года Гийом был арестован в Бонне по обвинению в шпионской деятельности. При аресте Гийом заявил: «Я гражданин и офицер ГДР. Относитесь с уважением!». Разоблачение стало началом получившей его имя «аферы Гийома» и привело в ФРГ к серьёзному внутриполитическому кризису, окончившемуся 7 мая 1974 года отставкой Вилли Брандта с поста федерального канцлера. 6 июня 1974 года Бундестаг по предложению оппозиции назначил парламентское расследование аферы, выявившее серьёзные ошибки в системе работы служб безопасности.
В декабре 1975 года за измену родине Гийом был приговорён к тринадцати годам тюремного заключения, а его супруга Христель Гийом — к 8 годам заключения.
В 1981 году супруги Гийом в результате обмена агентами между ГДР и ФРГ вернулись в ГДР, где их принимали как «послов мира». Они были награждены орденом Карла Маркса, Гийом получил звание полковника, его супруга — подполковника. С этого времени Гюнтер Гийом работал в качестве приглашённого лектора на курсах министерства безопасности ГДР. 28 января 1985 года «в ознаменование особых услуг по обеспечению мира и укреплению ГДР» Высшая юридическая школа в Потсдаме присвоила Гюнтеру Гийому звание почётного доктора юридических наук.
16 декабря 1981 года Христель Гийом подала на развод, не простив Гюнтеру Гийому начавшегося в день возвращения в ГДР романа с также работавшей на штази медсестрой Эльке Брёль. В 1986 году Гюнтер Гийом женился на Эльке Брёль, которая младше его на 15 лет, и официально взял её фамилию. В 1986—1988 годах он опубликовал свои мемуары «Показания» (нем. «Die Aussage»). 10 апреля 1995 года Гюнтер Гийом умер от рака почек в Эггерсдорфе в пригороде Берлина.
Сын Гийомов Пьер после ареста родителей переехал в 1975 году в ГДР, где получил образование фотожурналиста. В 1988 году он подал заявление на выезд в ФРГ и выехал туда в том же году вместе со своей семьёй. Поскольку министерство безопасности не допускало его выезда под фамилией отца, он взял девичью фамилию матери — Боом.
В 2004 году Пьер Боом опубликовал свои мемуары под названием «Чужой отец».
Бывшая супруга Гийома Христель Боом умерла 20 марта 2004 года от болезни сердца.