Les sciences "dures" et les sciences humaines ont un intérêt commun pour les phénomènes collectifs, qui sont également un sujet de recherche important dans le domaine des systèmes complexes. Cette thèse se focalise sur l'étude des systèmes urbains, en utilisant des outils analytiques venant de la physique statistique, et des simulations, en particulier la modélisation multi-agents. Une première résolution analytique d'un modèle de ségrégation spatiale de Schelling est obtenue à l'aide d'un formalisme de physique statistique qui relie la dynamique individuelle et collective. Ce formalisme montre que l'utilité ou le bien être des modèles socio-économiques correspond à un potentiel chimique en physique, ce qu'illustre un modèle de logement urbain. Le marché du logement est étudié plus en détail grâce à un modèle parcimonieux de formation du prix. La mise en oeuvre d'un modèle multi-agents, qui reproduit les résultats du modèle standard de l'économie urbaine (AMM), donne un deuxième point de vue sur les systèmes urbains et l'interaction entre transport et localisation résidentielle. Les simulations fournissent des résultats là où la résolution analytique fait défaut. Ce modèle est utilisé pour étudier les impacts économique, environnemental et social de l'introduction d'une aménité dans l'espace urbain et de la ville polycentrique. Avec deux catégories de revenu, ce travail fournit des hypothèses quant aux différentes structures sociales urbaines dans les villes nord-américaines et européennes par exemple.