Il est un des maîtres de l'École de Chartres, avec Bernard de Chartres, Thierry de Chartres, Bernard Silvestre et Jean de Salisbury (dont il fut l'enseignant à Paris).
Il étudie et commente les textes de Macrobe, de Boèce, de Priscien et commente le Timée de Platon, dont il se sert pour créer l'idée d'une « âme du monde », dont il donne l'image d'une chaîne d'or, qui lie tous les degrés de l'univers. De manière générale, Guillaume de Conches a laissé des gloses des auteurs qu'il commente, et un ouvrage de philosophie qui lui est propre. Il connaît les œuvres des médecins grecs et arabes, notamment Galien, par le biais des traductions dues au XIe siècle à Constantin l'Africain. On lui doit la diffusion des Quæstiones naturales (Questions naturelles) du philosophe stoïcien Sénèque.
Libre penseur, pour son temps, certaines idées sur la Trinité et sur « l'âme du monde » le compromettent auprès de l'Église, et il sera obligé de rétracter certaines de ses positions dans le Dragmaticon.
On peut retenir de la pensée de Guillaume son élaboration du concept de nature. Il distingue ce que Dieu fait immédiatement, « par sa seule volonté », et ce qu'il fait par le moyen de la nature, « instrument de l'opération divine », « force incluse dans les choses et produisant les semblables à partir des semblables ». « Dieu gouverne le monde par l'intermédiaire de l'ordre naturel » : donc, interprète Guillaume de Conches en des phrases qu'on peut lire déjà chez Adélard de Bath (début du XIIe siècle), on peut et on doit « chercher la raison » de toutes choses, y compris de celles que raconte la Genèse ; en faisant ainsi, « on ne retire rien à Dieu ».
La pensée de Guillaume de Conches est le témoin d'une étape importante dans la conception médiévale de la nature, appuyée sur l'intérêt nouveau pour les sciences, qui est une des caractéristiques du XIIe siècle.
Dans sa notice biographique, littéraire et philosophique de 1857, Antoine Charma indique qu'il se rendit sur les lieux mêmes où une pierre tombale avait été découverte à Saint Martin du Tilleul par son confrère, Auguste Le Prévost. Après un examen attentif, il s'agirait effectivement de la sépulture où repose Guillaume de Conches.
