Diplômé de la Latymer Upper School à Londres, Toby Regbo excelle sur les planches depuis l’enfance. Il fait ses premiers pas à l’écran dans le téléfilm Sharpe’s Challenge, avec Sean Bean à l’affiche. Séduit par l’univers de la télévision, il ne tarde pas à réapparaître dans la fiction britannique M.I High. Le temps d’un épisode, il incarne un jeune espion.
Plus tard, Toby Regbo est appelé au casting du fantastique Mr Nobody, aux côtés de Jared Leto et Diane Kruger. Dans la peau de Nemo adolescent, il donne la réplique à Juno Temple, qu’il retrouve la même année dans Glorious 39. Le comédien figure ensuite dans Harry Potter et les reliques de la mort : Partie 1, avant de se faire repérer pour tourner avec Anne Hathaway dans le film dramatique Un jour. Deux prestations remarquées, qui lui offrent le rôle principal dans Someday This Pain Will Be Useful to You. Il interprète ici un homosexuel vulnérable vivant à New York.
En 2012, il est l’un des protagonistes de uwantmetokillhim?, un thriller angoissant au sujet de deux garçons manipulés via internet. 2013 marque un tournant dans sa carrière, lorsque la CW lui confie le personnage du Prince François II dans la série Reign. Promis à Marie Stuart, campée par Adelaide Kane, il est le premier héritier du Roi de France.
Manon Simenel