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Guillaume trabajó con Kristian Birkeland. Sirvió en el Observatorio de París, Sección de Meudon. Llevó a cabo diversos experimentos relativos a mediciones termostáticas. Fue el primero en determinar la temperatura correcta del espacio.
Fue galardonado en 1920 con el premio Nobel de Física por su descubrimiento de unas aleaciones de acero al níquel conocidas como invar, elinvar, etc. Estas aleaciones tienen un coeficiente de dilatación térmica o cambios en la elasticidad debidos a la temperatura muy pequeños, lo que permite su uso en la construcción de relojes y de patrones para medidas geodésicas.
Trabajos publicados
La Température de L'Espace, La Nature, volume 24, 1896.
Études thermométriques. 1886.
Traité de thermométrie. 1889.
Unités et Étalons. 1894.
Les rayons X. 1896.
Recherches sur le nickel et ses alliages. 1898.
La vie de la matière. 1899.
La Convention du Mètre et le Bureau international des Poids et Mesures. 1902.
Les applications des aciers au nickel. 1904.
Des états de la matière. 1907.
Les récents progrès du système métrique. 1907, 1913.