Les nanoparticules d’or présentent des propriétés optiques particulières grâce au phénomène de résonance de plasmon de surface. L’irradiation laser d’une nanoparticule au voisinage de sa fréquence de résonance induit deux effets notables : une forte absorption de l’énergie lumineuse et une amplification du champ électromagnétique dans son environnement proche. Grâce à ces deux caractéristiques et à la bonne biocompatibilité de l’or, ces nano-objets peuvent être utilisés pour bon nombre d’applications biomédicales déclenchées par la lumière. Dans ce domaine, les nanobâtonnets d’or (AuNR) sont particulièrement prometteurs. En effet, il est possible d’accorder leur fréquence de résonance via leur rapport d’aspect, par exemple pour la placer dans la fenêtre de transparence relative des tissus biologiques (650–1350 nm). Cette résonance présente alors un facteur de qualité élevé. L’irradiation d’AuNR produit ainsi de multiples effets biologiques complexes, surtout avec des impulsions ultrabrèves intenses. Néanmoins, la physique de l’AuNR en milieu aqueux n’est réellement comprise que dans des conditions plus simples. C’est pourquoi cette thèse vise à mieux comprendre cette multi-physique dans les conditions d’irradiation pertinentes pour la biologie. Elle apporte des éléments de réponse théoriques, numériques et expérimentaux sur la réponse optique transitoire, la dynamique des échanges d’énergies, la génération plasmonique de plasma, la photoluminescence et la production de dérivés réactifs de l’oxygène. Tous ces processus ont un impact biologique ou biomédical. Leur analyse révèle avant tout le rôle prépondérant des électrons chauds en régime ultrabref.