Сын коневодов, Кане провел свое детство в сельской местности недалеко от Парижа. В юности Гийом хотел стать жокеем, но не сложилось: он упал с лошади и получил травму, которая поставила крест на дальнейших тренировках. Окончил актёрские курсы Франсуа Флорана. В 1994 г. дебютировал на сцене театра Эберто. Его амплуа — наивные молодые люди, романтичные и неопытные в любовных отношениях. В 2006 г. поставил детектив «Не говори никому», имевший большой успех у критиков и публики.
В 2001—2006 годах Кане состоял в браке с актрисой Дианой Крюгер. С 2007 года встречается с актрисой Марион Котийяр, с которой сыграл в фильмах «Влюбись в меня, если осмелишься» и «Последний полет». 19 мая 2011 у пары родился первенец, сын Марсель.