Raphaël Personnaz se forme au Conservatoire à Paris avant de débuter à la télévision à la fin des années 90. Il débute au cinéma en 2000, dans Le Roman de Lulu de Pierre-Olivier Scotto. Il apparaît ensuite dans À la petite semaine de Sam Karmann (2003), La première fois que j'ai eu 20 ans de Lorraine Lévy (2004) ou encore La faute à Fidel de Julie Gavras (2006). C'est en 2010 qu'il est révélé au grand public en étant l'un des personnages principaux de La Princesse de Montpensier de Bertrand Tavernier, présenté en compétition au Festival de Cannes. Il remporte le Swann d'Or de la révélation masculine au Festival du film de Cabourg en 2011 ainsi qu'une nomination au César du meilleur espoir masculin. En 2012, il présente Trois mondes de Catherine Corsini à Un certain regard à Cannes, puis vient After de Géraldine Maillet.
En 2013, il incarne Marius dans les deux premiers volets de la trilogie de Pagnol, réalisés par Daniel Auteuil puis retrouve Bertrand Tavernier pour Quai d'Orsay avec Thierry Lhermitte, et reçoit la même année le Prix Patrick Dewaere. Il est ensuite François Bizot dans Le temps des aveux de Régis Wargnier, puis collabore avec François Ozon dans Une nouvelle amie avant d'être Franck Magne dans L'Affaire SK1 de Frédéric Tellier. Parallèlement, il joue au théâtre Hébertot en 2014-2015 pour Les cartes du pouvoir mise en scène par Ladislas Chollat.
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