Né en 1981, Raphaël Personnaz est issu du monde du théâtre qui l'accueille et le met en scène assez tôt. Si sa carrière émerge sur les planches, il ne néglige pas la caméra pour autant. Après quelques figurations à l'âge de 16 ans, il obtient un premier rôle dans le téléfilm Un homme à la maison, deux ans plus tard.

Il débute au cinéma avec un second rôle aux côtés de Thierry Lhermitte et Claire Keim dans Le Roman de Lulu. Les années qui suivent lui permettent de se faire une place à la télévision et se succèdent les productions dans lesquelles ses rôles deviennent de plus en plus significatifs (Demain nous appartient, Quand la mer se retire). Son expérience tarde à lui servir comme gage au cinéma mais il conserve une notoriété distinctive au théâtre. C'est ainsi qu'il parvient à participer à quelques réussites inattendues : A la petite semaine (2003), La Première fois que j'ai eu 20 ans (2004) et La Faute à Fidel (2006).

Raphaël Personnaz impose peu à peu son physique de jeune premier au sein de la nouvelle génération du cinéma français : il crève l'écran en amant impétueux de Karin Viard dans Les Invités de mon père, avant de trouver, en 2010, une opportunité de choix de se distinguer : alors qu'il ne devait y participer que pour un second rôle, l'abandon tardif de Louis Garrel conduit Bertrand Tavernier à lui proposer le rôle du Duc d'Anjou de sa Princesse de Montpensier. Auteur d'Une Virée, court métrage traitant des relations entre frères, le jeune acteur possède une petite boîte de production créée avec la fille d'Isabelle Huppert, Lolita Chammah.

En 2011, il s'illustre dans le long métrage de Nicolas Cuche, avec La Chance de ma vie, en interprétant le personnage de Martin Dupont aux côtés de Virginie Efira, François-Xavier Demaison, Thomas Ngijol et Elie Semoun. La même année, il est à l'affiche du film de guerre Forces spéciales, dans lequel il incarne un membre des forces spéciales en mission de sauvetage d'une journaliste interprétée par Diane Kruger. Raphael Personnaz apparaît ensuite dans Anna Karenina de Joe Wright et tient le rôle principal de Trois Mondes de Catherine Corsini, présenté au Festival de Cannes en 2012.

2013 est une année particulièrement chargée pour l'acteur, qui explose véritablement aux yeux du grand public : il commence par donner la réplique à Charlotte Le Bon pour la comédie romantique La Stratégie de la poussette et poursuit dans la romance avec l'envoûtant After. Il campe ensuite le fils de Daniel Auteuil dans sa nouvelle adaptation de la "Trilogie marseillaise" de Marcel Pagnol, côtoie la très en vogue Bérénice Bejo (Au bonheur des ogres) et retrouve Bertrand Tavernier pour les besoins de la comédie politique Quai d'Orsay. Cette même année, Raphael Personnaz reçoit le prix Patrick Dewaere.

Le comédien brille ensuite dans la peau de Franck Magne, jeune flic obstiné traquant le tueur Guy Georges dans L'Affaire SK1. Il est également le mari de la pétillante Anaïs Demoustier dans Une nouvelle amie de François Ozon. En 2016, l'acteur de 34 ans se lance dans une grande aventure avec Dans les forêts de Sibérie, où un homme s’installe seul dans une cabane sur les rives gelées du lac Baïkal. Deux ans plus tard, il tourne sous la direction de Ralph Fiennes dans le biopic Noureev, puis campe un entrepreneur sans scrupules dans le thriller Persona non grata, aux côtés de Nicolas Duvauchelle et Roschdy Zem.

Tournant de moins en moins, Raphaël Personnaz est tout de même fin 2022 à l'affiche de deux films : Nos frangins, qui retrace la tristement célèbre affaire Malik Oussekine, et Le Tourbillon de la vie, un drame romantique porté par Lou de Laâge. En parallèle, il est l'un des personnages principaux de la série L'Opéra.