Les villes ont un rôle important à jouer dans l’effort global vers un développement durable. Dans cette perspective, les nouvelles approches adaptatives de la planification urbaine requièrent une compréhension fiable de la morphodynamique urbaine : l'évolution de la structure spatiale d'un système urbain à partir d’interactions élémentaires entre ses composantes. Dans cette thèse, des contributions théoriques et méthodologiques à la morphodynamique urbaine sont proposées à partir de l'intégration des deux principaux courants de la littérature en géographie urbaine quantitative : la théorie de la localisation d’une part, qui résulte d’une longue tradition de recherches sur les déterminants économiques de la localisation des activités économiques, et les systèmes complexes d’autre part, qui fournissent une description plus récente récente de la façon dont les villes s'auto-organisent à partir d’interactions dynamiques entre de nombreux individus. La première partie de la thèse passe en revue l’évolution historique de la théorie de la localisation et des systèmes complexes, du point de vue de la morphodynamique urbaine. Elle soutient que les microsimulations fournissent un terrain fertile pour intégrer les deux approches, à condition qu'elles soient soutenues par un cadre théorique cohérent. La deuxième partie de la thèse aborde deux problèmes de morphodynamique urbaine et propose des combinaisons originales des concepts et des méthodes de la théorie de la localisation et des systèmes complexes. Premièrement, à l'aide de modèles mathématiques, elle étudie les lois d’échelles dans le modèle monocentrique d’économie urbaine. Deuxièmement, en couplant développements analytiques et simulations multi-agents, elle explore la croissance d'un modèle de ville non-monocentrique. Dans une troisième partie, elle propose une méthode de modélisation hybride qui combine les fondements comportementaux de la théorie du choix discret avec les modèles dynamiques non linéaires de la synergétique. Cette méthode est ensuite appliquée à un modèle centre-périphérie de la nouvelle économie géographique, et elle permet d’en affiner les prévisions des trajectoires de développement régional. Dans une quatrième et dernière partie, à la lumière des modèles proposés, cette thèse soutient que les fondements théoriques de la théorie de la localisation et des systèmes complexes peuvent être réconciliés dans une théorie cohérente de la morphodynamique urbaine. Elle propose également de nouvelles perspectives de recherche pour développer à cette fin la méthode de modélisation hybride proposée.