Après avoir suivi une formation au conservatoire de Marseille et de l’école régionale d’acteur de Cannes, Guillaume Gouix débute sa carrière à la télévision où il joue dans de multiples téléfilms (Dérives, Des épaules solides). Il tient en 2003 le premier rôle masculin dans Les Lionceaux, dans lequel la réalisatrice Claire Doyon lui laisse la possibilité de jouer en improvisant. Remarqué pour sa performance, et notamment son jeu très physique appuyé par un regard plein d’intensité, il joue par la suite des rôles secondaires de petite frappe dans Les Mauvais joueurs ainsi que Chacun sa nuit, co-réalisé par Jean-Marc Barr et Pascal Arnold.
Il figure en 2007 dans le film de guerre de Florent Emilio Siri, dans lequel il interprète un jeune caporal chef durant la guerre d'Algérie. Bien qu’il s’agisse d’un rôle secondaire, c’est à partir de ce moment que sa carrière commence à décoller et son goût pour les personnages complexes à s’affirmer. Dès l’année suivante, il est loué pour sa prestation dans le film Les Hauts murs, qui se déroule dans un pensionnat pour enfants turbulents dans les années 1930. Sujet difficile dans lequel le comédien livre une de ses plus belles performances.
Parallèlement, il continue à apparaître à la télévision dans des programmes comme Chez Maupassant ou encore la série Les Bleus : Premiers pas dans la police. On le retrouve en 2010 dans L'Immortel de Richard Berry où il tient un petit rôle, mais surtout Réfractaire dans lequel il incarne un résistant communiste durant l'Occupation. Il continue en parallèle sa carrière sur le petit écran, apparaissant à la fois dans une ambitieuse fiction Canal plus, Mon père, Francis le Belge et dans Belle épine (face à Léa Seydoux).
2011 est certainement l'année de la consécration pour l'acteur : il poursuit sa voie à la télévision en jouant dans Les Beaux mecs. Quant au cinéma, il apparaît dans pas moins de quatre films : il est un gendarme paumé dans l'étrange Poupoupidou, le petit ami charmeur de Mélanie Laurent dans Et soudain, tout le monde me manque et surtout un incroyable Jimmy Rivière, jeune gitan égaré entre boxe et religion dans le premier film de Teddy Lussi-Modeste. Enfin, il fait partie du casting cinq étoiles du film de Woody Allen Minuit à Paris.
Visage de plus en plus connu du cinéma français, Guillaume Gouix part en road trip avec Arthur Dupont dans Mobile Home, campe le pote fidèle du dealer parisien Pio Marmai dans Alyah et revit grâce aux tisanes d'Anne Le Ny dans Attila Marcel. L'acteur affiche ensuite une certaine prédisposition pour les polars puisqu'il est inspecteur de police dans La French et se glisse dans la peau de deux braqueurs : dans Enragés puis dans Braqueurs de Julien Leclercq.
En 2019, le natif d'Aix-en-Provence réalise un troisième court métrage, Mon Royaume, dans le cadre du festival de Cannes avec les talents Adami. Depuis, il alterne entre films d’auteurs (Les Confins du monde de Guillaume Nicloux, Chez nous de Lucas Belvaux, Gaspard va au mariage de Antony Cordier ou encore Les Choses qu’on dit, les choses qu’on fait de Emmanuel Mouret), premiers films (Les Drapeaux de papier, etc.), films plus populaires (Une belle équipe, etc.) et séries (La Guerre des Mondes, Disparu à jamais, Une affaire française ou l’adaptation des Particules élémentaires de Houellebecq).
Guillaume Gouix vient de tourner pour Arte Polar Park de Gérald Hustache-Mathieu, série dans laquelle il partage l’affiche avec Jean Paul Rouve. Son premier long métrage comme réalisateur, Amore Mio, avec pour actrices principales Alysson Paradis et Élodie Bouchez, sortira en 2023.