Guillaume Nicloux se fait connaître comme auteur, metteur en scène de théâtre, et créateur de la compagnie « La Troupe », à l'âge de dix-huit ans. Arrive la réalisation avec le méconnu LES ENFANTS VOLANTS (1990), porté par Anémone, le téléfilm LA VIE CREVÉE (1992) pour Arte avec Michel Piccoli, et enfin FAUT PAS RIRE DU BONHEUR, rencontre étrange un soir de Noël avec Bernard-Pierre Donnadieu et Laura Morante, présenté au Festival de Cannes 1995. Il publie les polars « Zoocity », « Jack Mongoly », « L'Honneur perdu de Georges Blesse », « Des Brutes et des méchants », « Monsieur chance », « C'est juste une balade américaine » (1996-2001), et « Le Saint des seins » (1996) dans la collection « Le Poulpe ».
C'est avec l'adaptation à l'écran de ce personnage d'enquêteur anar qu'il touche un large public, pour LE POULPE (1998) avec Jean-Pierre Darroussin. Il signe aussi le court métrage LUCIE (2000), avec Sylvie Testud pour SCÉNARIOS CONTRE LA DROGUE, apparaît dans SEUL CONTRE TOUS de Gaspar Noé (1998) et coécrit le scénario de BLANCHE (2002) avec son réalisateur Bernie Bonvoisin. Il signe ensuite les remarqués UNE AFFAIRE PRIVÉE (2002), CETTE FEMME-LÀ (2003), LE CONCILE DE PIERRE (2006, photo du tournage) et LA CLEF (2007), à l'atmosphère sombre, à l'intrigue labyrinthique et à la mise en scène hypnotique. Dans les deux premiers, un enquêteur fatigué (François Manéri/Thierry Lhermitte ; Michèle Varin/Josiane Balasko) enquête dans une ambiance dépressive. Dans les deux suivants, un quidam, campé par Monica Bellucci puis Guillaume Canet, se retrouve aspiré dans un dédale existentiel et paranoïaque. Avec un sens aiguisé de la distribution de rôles, il offre des rôles de choix à ses interprètes principaux et à une galerie de seconds rôles marquants. Il filme des stars (Catherine Deneuve, Vanessa Paradis, Jean Rochefort), des vedettes (Marion Cotillard, Frédéric Diefenthal, Clovis Cornillac, Sami Bouajila) et les précieux Philippe Nahon, Yves Verhoeven, Dominique Bettenfeld, Yann Goven ou Françoise Lebrun. Il expérimente le loufoque pour HOLIDAY (2010), aventures déglinguées dans un hôtel de province, avec Darroussin, entouré de Judith Godrèche, Balasko, Biyouna, et d'une galerie de seconds rôles décapants. Puis il adapte Diderot pour LA RELIGIEUSE (2013), ode à la liberté d'une jeune novice dans la France rigide du XVIIIe siècle, avec Pauline Etienne face à Louise Bourgoin et Isabelle Huppert, qu'il retrouve pour VALLEY OF LOVE (2015), voyage d'un couple en deuil de leur fils, avec Gérard Depardieu.
