La caractérisation du comportement des matériaux bitumineux est primordiale pour pouvoir dimensionner les structures de chaussées, mais aussi pour prédire de manière plus précise leur durée de vie. En effet, ces matériaux sont soumis à des phénomènes complexes, mécaniques, thermiques, physiques et chimiques qui apparaissent souvent de manière couplée. Devant la complexité des problèmes observés et avec l’apparition des nouveaux matériaux et nouvelles techniques de fabrication, des études avancées de laboratoire et des modélisations rhéologiques sont nécessaires. Les méthodes existantes permettent de caractériser les matériaux en laboratoire grâce à l’utilisation de presses hydrauliques très couteuses. De plus, la plupart de ces essais ne sont pas adaptés à une utilisation directe sur chaussées. Dans cette thèse, un essai dynamique qui repose sur le phénomène de propagation d’onde a été développé pour caractériser les enrobés bitumineux dans le domaine viscoélastique linéaire. Il s’agit d’un essai non destructif, bien moins couteux que les essais existants et qui pourrait à terme s’adapter à une utilisation in-situ. Des méthodes complexes d’analyse inverse de propagation d’ondes en milieu viscoélastique ont été mises au point afin d’obtenir les propriétés thermomécaniques des enrobés bitumineux à partir des signaux mesurés expérimentalement. Les propriétés viscoélastiques linéaires de différents enrobés bitumineux déterminées à partir de l’essai dynamique développé ont été comparées aux résultats obtenus avec des essais cycliques plus conventionnels de traction-compression.