I 1949 var Guillemin ferdig utdannet som lege ved det medisinske fakultetet til Université de Lyon, og reiste til Montréal, Quebec i Canada. Der jobbet han sammen med Hans Selye ved Institute of Experimental Medicine and Surgery ved Université de Montréal og i 1953 fikk han sin Ph.D. der. Han flyttet til USA i 1953 for å jobbe ved Baylor College of Medicine i Houston, Texas. I 1965 ble han naturalisert amerikansk statsborger, og i 1970 var han med på opprettelsen av Salk Institute i La Jolla i California. Han jobbet ved Salk Institute frem til han gikk av med pensjon i 1989.