La congestion en milieu urbain est un enjeu majeur que ce soit d’un point vue économique, social ou environnemental. À court et moyen terme, l’utilisation de la simulation dynamique du trafic routier peut permettre d’analyser et de guider des politiques d’optimisation des infrastructures existantes. Aujourd’hui, du fait de la complexité des systèmes de transport, les outils de modélisation classiques sont limités à des échelles géographiques peu étendues (de l’ordre du quartier). À grande échelle, le temps de calcul devient rapidement un facteur limitant tout comme le calibrage et la scénarisation. Néanmoins les dernières décennies ont vu l’apparition d’une nouvelle génération de modèles bien adaptés aux métropoles urbaines. Ceux-ci sont basés sur une relation phénoménologique entre la production de déplacements et le nombre de véhicules dans une zone spatiale d’un réseau routier, appelée Diagramme Fondamental de Zone (Macroscopic Fundamental Diagram, MFD). Cette relation, validée empiriquement sur de nombreuses villes, a permis d’étudier différentes méthodes de contrôle du trafic pour une ville entière, mais a été peu utilisée à des fins de prévision de la congestion. L’objectif de cette thèse est de proposer un premier outil opérationnel de simulation et d’analyse des grands réseaux de métropoles, en utilisant et développant les modèles de trafic basés sur la relation MFD. Cet outil doit posséder un cadre théorique cohérent qui puisse convenir à des applications telles que la prévision d’états de trafic, le développement de nouvelles politiques de contrôle, l’estimation de pollutions liées au trafic, etc. Les contributions de la thèse portent sur deux aspects. Le premier est l’analyse des propriétés mathématiques et physiques des modèles existants, en incluant une formalisation complète de la gestion de plusieurs longueurs de parcours au sein d’une même zone urbaine. En particulier, cette formalisation traite de la distinction des trajets internes à la zone et des problèmes de flux convergents et divergents pour les trajets traversant la zone lorsque la congestion se propage d’une zone à l’autre. Le deuxième aspect est la proposition d’un nouveau modèle basé sur la distance individuelle parcourue à l’intérieur d’une zone urbaine (trip-based). Cette approche permet d’individualiser les usagers (auparavant représentés sous forme de flux continus) et donc de définir plus finement leurs caractéristiques, en vue de coupler leurs déplacements à des modèles d’affectations sur différentes routes. Enfin, des exemples d’application illustrant diverses collaborations sont donnés en dernière partie de la thèse. La simulation du trafic sur l’aire urbaine du Grand Lyon (France) y est présentée, ainsi que de nouveaux modules de modélisation de la recherche de parking ou de contrôle périphérique. Cette thèse est partie intégrante d’un projet européen ERC intitulé MAGnUM : Approche multi-échelle et multimodale de la modélisation du trafic pour une gestion durable de la mobilité urbaine.