Il fait ses premières armes au théâtre, en jouant dans plusieurs pièces de théâtre en français. Cependant, c'est à la télévision que Guillaume Serge se fait connaître du grand public. Il débute comme scénariste pour des émissions jeunesse à la Télévision de Radio-Canada avant de passer à la réalisation.
En 1984, il réalise son premier court métrage, "Le Coucher du Soleil", qui reçoit un accueil favorable et lui permet d'être remarqué par les professionnels du cinéma. Il continue à écrire et réaliser des courts métrages et des téléfilms jusqu'en 1989, date à laquelle il sort son premier long-métrage, "L'Affaire Blanchard", une adaptation de la pièce de théâtre homonyme qu'il a écrite. Le film est un grand succès critique et obtient plusieurs récompenses.
En 1993, Guillaume Serge réalise son deuxième long-métrage, "La Vie rêvée des anges", qui connaît également un grand succès critique. Il reçoit de nombreuses récompenses internationales et est considéré comme l'un des meilleurs films québécois de tous les temps.
Pendant cette période, Guillaume Serge continue à écrire pour la télévision, notamment pour des séries télévisées populaires telles que "La Petite Vie" et "Le Closet". Il fait également une apparition en tant qu'acteur dans le film "30 vies" de Stéphane Lafleur.
En 2016, Guillaume Serge sort son troisième long-métrage, "La Jeune Fille et la Mort", qui est également très apprécié par la critique. Il s'agit d'un film à suspense mêlant romance et science-fiction, qui reçoit plusieurs nominations aux Gala Québec Cinéma.
Guillaume Serge a également dirigé des clips musicaux pour des artistes québécois tels que Cœur de Pirate et Marie-Mai. Il est membre de l'Académie canadienne du cinéma et de la télévision et a été nommé officier de l'Ordre national du Québec en 2018.
Enfin, Guillaume Serge est également un grand défenseur des droits des animaux et milite pour leur protection et leur bien-être. Il s'engage régulièrement dans diverses campagnes à ce titre et est membre du Comité national de l'association québécoise pour le bien-être animal (AQBA).