Après avoir appris la peinture à l'académie des beaux-arts de Bruxelles, il a suivi les cours de Jean-Félix Halls et d'Henri Van der Kelen. Il est considéré comme un peintre impressionniste, même s'il n'a pas formellement rejoint le mouvement impressionniste français. Son œuvre est marquée par une grande liberté dans l'utilisation des couleurs et de la technique picturale.
En 1880, il a remporté un concours de peinture avec son tableau intitulé "Le retour des chasseurs" (La Rentrée des Chasseurs) et a été envoyé à Paris pour étudier l'École nationale supérieure des beaux-arts. Au cours de ces années, il a travaillé dans les studios d'Eugène Carrière et de Jules Lefebvre.
En 1884, il est revenu à Bruxelles où il a ouvert son propre studio et a commencé à enseigner la peinture. Il a également exposé au Salon de Bruxelles et à d'autres salons européens, remportant plusieurs prix et récompenses pour sa peinture impressionniste.
Ses œuvres les plus célèbres comprennent "La rentrée des chasseurs", "La Fête de la Saint-Hubert" et "Le Retour à l'auberge". Il a également été un peintre paysagiste, avec des tableaux représentant les paysages belges et français.
En 1893, il est devenu membre correspondant de l'Académie royale des sciences, des lettres et des beaux-arts de Belgique. En 1902, il a été nommé professeur à l'académie royale des beaux-arts de Bruxelles.
Guillaume Gillet est également connu pour avoir été un artiste éclectique, expérimentant plusieurs styles artistiques et techniques picturales tout au long de sa carrière. Ses œuvres ont été exposées dans plusieurs musées en Europe, notamment le Musée d'Orsay à Paris, le Musée des Beaux-Arts de Bruxelles et le Musée Royal des Beaux-Arts d'Anvers.
Il est mort le 24 mai 1927 à Spicheren en Allemagne, où il était allé pour peindre les paysages lorrains. Sa biographie est une référence importante dans l'histoire de la peinture belge et européenne du XIXe siècle.