Guillaumes Großvater war aus politischen Gründen aus Frankreich nach London geflohen. Dort eröffnete er ein Uhrmachergeschäft, das durch seine drei Söhne, darunter auch Charles’ Vater Édouard, fortgeführt wurde. Die reformierte Familie besass ihr Ortsbürgerrecht im Grenzdorf Les Verrières.
1888 heiratete er die Deutsche Emilie Marie Anne Taufflieb.[1] Nach einer kurzen Zeit bei der Schweizer Infanterie nahm er eine Stellung als Assistent beim Internationalen Büro für Maße und Gewichte in Sèvres bei Paris an. Der Institution blieb er bis an sein Lebensende verbunden, ab 1889 als Adjunkt, 1901 als Vizedirektor, 1915–1936[1] als Direktor und zuletzt als Ehrendirektor. Unter anderem war er dort an den Arbeiten für den Urmeter beschäftigt.
Ab 1896 entwickelte er die Invar- und die Elinvar-Legierungen. Seine Arbeiten, insbesondere zur Ausdehnung von Stahl-Nickel-Verbindungen, führten zu entscheidenden Verbesserungen bei Thermostaten, Astronomischen Uhren und Präzisionsuhren.
Die Universitäten in Genf, Neuchatel und Lausanne verliehen ihm je einen Ehrendoktor.[1] Er war Präsident der Société française de physique, Mitglied der Ehrenlegion[1] und Mitglied, Ehrenmitglied oder Korrespondierendes Mitglied in mehr als einem Dutzend wissenschaftlicher Gesellschaften in Europa, so der Russischen Akademie der Wissenschaften.[1] Er erhielt 1920 den Physik-Nobelpreis als „Anerkennung seiner Verdienste auf dem Gebiet der Präzisionsmessung in der Physik und für seine Entdeckung der Eigenheiten der Stahl-/Nickelverbindung“.[2]
Als er 1938 in Sèvres starb, wurden seine sterblichen Überreste in die Schweiz überführt und auf dem Friedhof von Fleurier beigesetzt.[3]
