1922-ben doktorált Berkeley-ben, a Kaliforniai Egyetemen, ezután a kémia tanszék munkatársa lett, 1962-től az egyetem nyugalmazott professzora volt. Munkásságával megteremtette a kvantumstatisztikának és a termodinamika harmadik főtételének szilárd kísérleti alapjait, érthetővé téve az utóbbi törvénynek látszólag ellentmondó kivételeket. Giauque és Herrick L. Johnston fedezte fel a 17 és a 18 tömegszámú oxigénizotópot. Az anyagok abszolút nulla fokhoz közeli hőmérsékleteken mutatott tulajdonságainak vizsgálatáért 1949-ben kémiai Nobel-díjat kapott.