Raphaël Personnaz estudió en el Conservatorio del XX distrito de París antes de comenzar su carrera en televisión a finales de la década de 1990. Debutó en la gran pantalla en 2000, con Le roman de Lulu, de Pierre-Olivier Scotto. Luego apareció en varias películas más, como À la petite semaine, de Sam Karmann; La première fois que j'ai eu 20 ans, de Lorraine Lévy; y La faute à Fidel!, de Julie Gavras.

Su carrera despegó en 2010 cuando interpretó al duque de Anjou en La princesa de Montpensier (La princesse de Montpensier), de Bertrand Tavernier, que compitió en el Festival de Cine de Cannes. La actuación estelar de Personnaz, que fue un éxito de crítica internacional, le valió el Cisne de Oro al actor revelación en el Festival de Cine de Cabourg en 2011, así como una candidatura al César a la estrella revelación. En 2012, el actor protagonizó Trois mondes, de Catherine Corsini, que se presentó en la sección "Un Certain Regard" del Festival de Cine de Cannes, y ese mismo año protagonizó After, de Géraldine Maillet.

En 2013, el Personnaz interpretó a Marius en La trilogie mairsellaise: Marius, Fanny y César, dirigida por Daniel Auteuil, y coprotagonizó con Thierry Lhermitte Crónicas diplomáticas (Quai d'Orsay), de Bertrand Tavernier. Su impresionante currículo le valió en 2013 el premio Patrick Dewaere, al que ya había optado en 2011.

Este momento crucial en su carrera catapultó al actor, que protagonizó Le temps des aveux, de Régis Wargnier, trabajó para François Ozon en Una nueva amiga (Une nouvelle amie) y fue el protagonista de El caso SK1 (SK1), de Frédéric Tellier. En ese mismo periodo, entre 2014 y 2015, actuó en el teatro Hébertot con la obra Juegos de poder, dirigida por Ladislas Chollat. En 2016, Personnaz rodó Dans les fôrets de Sibérie, una adaptación del libro homónimo de Sylvain Tesson dirigida por Safy Nebbou.

Entre sus proyectos más recientes para el teatro se encuentran las obras Secretos de un matrimonio, llevada a los escenarios por Safy Nebbou, y No tendréis mi odio, dirigida por Benjamin Guillard, que le valió el premio Molière al mejor actor en un monólogo en 2018.