Karier klub Guilherme dimulai di Atlético Paranaense, di mana ia melakukan debut profesionalnya pada tanggal 13 Februari 2005. Dia kemudian bermain 18 pertandingan liga dan tiga pertandingan Piala Brasil pada musim 2007. Pada Agustus 2007, Guilherme menandatangani kontrak lima tahun dengan FC Lokomotiv Moscow, menjadi penjaga gawang Brasil pertama di sepak bola Rusia. Dia membuat debut tim utama resminya pada 12 Juli 2009, dan sejak itu menjadi penjaga gawang pilihan utama untuk Lokomotiv. Pada musim 2010, Guilherme mengubah nomor jerseynya dari 85 menjadi 1. Dia juga tampil dalam pertandingan UEFA Europa League melawan Lausanne-Sport pada 19 Agustus 2010. Pada Mei 2022, Guilherme menandatangani kontrak baru dengan Lokomotiv hingga Juni 2024.
Di level internasional, Guilherme memperoleh kewarganegaraan Rusia dan pada 22 November 2015, ia dipanggil untuk bergabung dengan tim nasional sepak bola Rusia dalam pertandingan persahabatan melawan Lithuania dan Prancis. Debutnya sebagai pemain tim nasional Rusia terjadi pada 26 Maret 2016 dalam kemenangan 3-0 melawan Lithuania. Guilherme menjadi pemain pertama yang memperkuat tim nasional Rusia setelah memperoleh kewarganegaraan dari luar Uni Soviet. Meskipun ia tampil dalam 9 dari 10 kualifikasi UEFA Euro 2020 dengan 6 clean sheet dan hanya kebobolan 8 gol, serta meraih penghargaan penjaga gawang terbaik Liga Premier Rusia musim 2020-2021, Guilherme tidak dipanggil untuk turnamen final pada tahun 2021.
Selain karier sepak bola, Guilherme juga fasih berbahasa Rusia. Pada 22 November 2015, ia memperoleh kewarganegaraan Rusia dan menjadi memenuhi syarat untuk mewakili Rusia di level internasional. Guilherme juga telah meraih beberapa gelar bersama Atlético Paranaense dan Lokomotiv Moscow, termasuk Piala Rusia pada musim 2014-2015, 2016-2017, 2018-2019, dan 2020-2021, serta Liga Premier Rusia pada musim 2017-2018 dan Piala Super Rusia pada tahun 2019. Ia juga dinobatkan sebagai penjaga gawang terbaik Liga Premier Rusia pada musim 2020-2021.