Шарль родился в семье, которая издавна была часовщиками. Его дед бежал в Лондон во время Французской революции. В Лондоне он и открыл часовую мастерскую. Отец Шарля работает в ней по наследству. Позже семье пришлось переехать в Швейцарию. Он поселились в городе Флерье. Шарль с самого детства интересовался разными механизмами. Первые уроки механики и прочих наук ему преподавал отец. Шарль успешно окончил среднюю школу в Невщателе в 17 лет. Он поступил в Федеральный технологический институт в Цюрихе. Юношу всегда интересовали естественные и точные науки. Ко всему прочему он увлекался литературой. В 1882 году Шарль защитил докторскую диссертацию.
Год прослужил Гильом в армии. Молодой офицер Шарль успешно показал себя на полевых учениях. После армии он устроился работать ассистентом в Международное бюро мер и весов около Парижа, в Серве. Шарль стал заместителем директора бюро в 1902 году, а в 1905 году самим директором. Этот почетный пост он занимал вплоть до ухода в отставку. Как для работы в бюро мер и весов характер Шарля очень подходил. Друзья и знакомые замечали в нем аккуратность, которая перерастала в дотошную педантичность.
Шарль решил начать свой путь сотрудника Международного бюро с улучшения ртутного термометра. Он опубликовал научную работу «Трактат о термометрии» в 1889 году. В нем он изложил свои идеи. Все мы знаем, из чего состоит классический ртутный термометр, который зачастую называют градусником. Для того чтобы повысить точность измерений Гильом ввел поправки на изменение объема сосуда. Все это связано с изменением температурного коэффициента. Также поправки на изменение площади поперечного сечения и длинны столбика ртути, зависящего от температуры. Все эти поправки позволили с невероятной точностью, как на те времена, измерять температуру.
Далее Шарль Гильом ставит перед собой цель найти более дешевый сплав для изготовления эталонов. Эталоны были изготовлены из качественного сплава иридия и платины. Это было необычайно дорого, и зачастую эти эталоны не отвечали требуемому стандарту качества.
Шарль провел много исследований и обнаружил, что сплавы с высоким содержанием никеля имеют невероятно низкий коэффициент расширения. Свое первое творение Гильом назвал «инвар». Этот сплав, из которого делался новый эталон, не боялся ни охлаждения, ни нагревания. Этот сплав также подошел для деталей маятниковых часов. Часовщики смогли сделать ход времени более точным.
Еще одним важным изобретением Шарля был эластичный инвар, более известный как элинвар. Главным свойством этого состава является низкий термоупругий коэффициент. Элинвар нашел широкое применение в часах и их изготовлении, а позже и использовался для создания научной аппаратуры. В 1920 году Шарлю присудили Нобелевскую премию по физике. Его работы внесли весомый вклад в развитие точным измерений, а это было очень важно для двадцатого века.
Шарль Гильом умер в Париже 16 июня.