I 1998–2005 var han samboer og forlovet med skuespilleren Maria Bonnevie. Avisene skrev mye om dem både mens de var sammen og da bruddet mellom dem var et faktum; spesielt da det ble kjent at han ventet barn med journalisten Sanna Lundell før bruddet var endelig. Persbrandt og Sanna Lundell, som er Ulf Lundells datter, er fortsatt sammen og har to sønner, men bor hver for seg.