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. 1926-ban módszert javasolt a jóval a -272,15 oC alatti hőmérsékletek elérésére és 1935-ben D. P. MacDougall társaságában elsőként alkalmazta sikeresen ezt a technikát.
Giauque 1922-ben doktorált Berkeley-ben, a Kaliforniai Egyetemen, ezután a kémia tanszék munkatársa lett, 1962-től az egyetem nyugalmazott professzora volt.