Ông đậu bằng cử nhân ở Đại học Burgundy, đậu bằng bác sĩ y khoa ở Phân khoa Y học Đại học Lyon năm 1949, sau đó sang Montréal, Quebec, Canada, để làm việc với Hans Selye ở Viện Y học thực nghiệm và Giải phẫu của Đại học Montréal và đậu bằng tiến sĩ ở đây năm 1953. Cùng năm, ông di chuyển sang Hoa Kỳ dạy học ở Trường Y học Baylor tại Houston, Texas. Năm 1965, ông nhập quốc tịch Mỹ. Năm 1970 ông giúp việc thành lập Viện nghiên cứu Sinh học Salk ở La Jolla, California, nơi ông làm việc tới khi nghỉ hưu năm 1989.

Guillemin và Andrew V. Schally đã cùng phát hiện ra cấu trúc của Thyrotropin-releasing hormone (TRH) và Gonadotropin-releasing hormone (GnRH) trong các phòng thí nghiệm riêng rẽ.