Les véhicules autonomes deviennent de plus en plus une réalité, qui à la fois promet d’améliorer, de manière plus ou moins brutale, les systèmes de transport urbain. En effet, cette technologie présente le potentiel de réduire la consommation d’énergie, le nombre d’accidents, les coûts de déplacement ainsi que l’occupation de l’espace urbain. Cependant, des obstacles à la mise en œuvre et à la pénétration en masse du marché subsistent. Sur le plan économique, les coûts initiaux seront probablement peu abordables. Au niveau social, les utilisateurs pourraient être réticents à changer leurs habitudes de déplacement quotidiennes. Techniquement, les interactions avec les autres composants du système de transport restent incertaines. Les défis en matière de responsabilité, de sécurité, d'éthique et de confidentialité des données doivent aussi être relevés.Cette thèse contribue à l'étude ex-ante des systèmes de mobilité basés sur les véhicules autonomes à travers l'identification, la conception et l'évaluation de modèles d'affaires articulés autour des véhicules autonomes. En particulier, elle propose une analyse systémique des «nouveaux» services de mobilité (notamment les services d'autopartage, de covoiturage et de taxi) pour identifier finalement les taxis autonomes (aTaxis) et les navettes autonomes (aTransit) en tant que deux des formes de services les plus pertinentes qui pourront bénéficier d'une large diffusion. Ensuite, nous nous concentrons sur un service d'aTaxis et nous proposons un cadre stratégique pour la construction d’un modèle microéconomique qui permet d’analyser les décisions stratégiques d’un opérateur de services de taxis autonomes. Le cadre stratégique se compose de trois niveaux (opérationnel, tactique et stratégique) et intègre trois forces de pression (la réglementation, les coûts unitaires et les préférences de la demande). Une application est ensuite réalisée sur une zone stylisée (Orbicity) et un cas réel urbain (Palaiseau, une ville de la région parisienne).Les résultats de la simulation montrent que l’automatisation peut améliorer à la fois les performances de mobilité et l’efficacité économique du système de transport urbain. De plus, les économies de densité de l'offre et de la demande sont évaluées en contrôlant à la fois la taille de la flotte et le nombre d'utilisateurs pour une zone d'étude fixe. En particulier, l'application sur Palaiseau a prouvé que l’utilisation de dix véhicules supplémentaires impliquerait 1 % de plus d'utilisateurs (+15 passagers) et 50 % de moins de profit. Une enquête des préférences déclarées appuie le modèle stratégique et montre que les aTaxis seront probablement utilisés pour les trajets quotidiens de 2 à 5 km par deux profils d’utilisateur: (1) les jeunes utilisateurs non motorisés (âgés de moins de 30 ans) et (2) la population active motorisée âgée de 30 à 50 ans.La thèse adopte une approche interdisciplinaire combinant (1) une analyse qualitative qui commence par une revue des travaux existants appuyée ensuite d’abord par une analyse marketing de Business Models basés sur les véhicules autonomes puis par une analyse systémique d’un service de aTaxis et (2) une analyse quantitative, située à mi-chemin entre la microéconomie et la simulation spatiale.