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Il construit, pour Fernand Halphen, le château Mont-Royal à La Chapelle-en-Serval près de Chantilly (Oise). Après avoir rejeté un projet de style anglo-normand de l'architecte René Sergent, puis un premier projet de style médiéval (dessins, collection Musée d'Orsay), le commanditaire a fixé son choix sur le second projet de Guillaume Tronchet: un château de style Louis XVI célébrant la chasse à l'extérieur et la musique à l'intérieur. Édifié de 1907 à 1911, l'édifice (aujourd'hui transformé en hôtel) est une grande réussite architecturale.
Architecte-en-chef des bâtiments civils et des palais nationaux, Tronchet se voit confier en 1929 par Louis Loucheur, ministre du Travail, le soin d’édifier —en huit mois seulement— le nouveau bâtiment du ministère, place de Fontenoy à Paris (7e). Il fait appel aux matériaux et aux techniques les plus modernes et à des artistes réputés pour la décoration: les frères Martel pour la sculpture et Jacques Grüber pour les vitraux.
Aujourd'hui, une fondation perpétue son souvenir et attribue, dans le cadre de la cérémonie annuelle de l'Académie des beaux-arts se déroulant sous la coupole de l'Institut, un prix destiné à encourager un jeune artiste (le plus souvent architecte).
Théâtre Ducourneau, Agen (Lot-et-Garonne) (1908): l'un des premiers bâtiments construits en ciment armé en France, sous une enveloppe strictement néo-classique. L'utilisation du ciment armé a permis l'aménagement de balcons en porte-à-faux.
Hôtel des Postes Thiers, Nice, (Alpes-Maritimes) (1931): bâtiment réalisé en briques, d'où la légende d'un recyclage de plans qui auraient initialement été conçus pour Lille.
Bonillo, Jean-Lucien (coordinateur), L'architecture du XXe siècle dans le Var: le patrimoine protégé et labellisé, Marseille, Ed. Imbernon, (ISBN9782951639683), p.209