Guillaume Lettre a obtenu son baccalauréat en biologie, option biotechnologie, à l’Université de Sherbrooke en 2000. Il a ensuite obtenu une maîtrise en sciences biologiques au Cold Spring Harbor Laboratory (New York, États-Unis) en 2001 et un doctorat en génétique du développement à l’Université de Zurich (Suisse) en 2005. Il a terminé sa formation postdoctorale au Children’s Hospital de Boston et au Broad Institute dans le laboratoire du Dr Joel N. Hirschhorn. Il s’est joint au Centre de recherche de l’Institut de cardiologie de Montréal et à la Faculté de médecine de l’Université de Montréal en janvier 2009.