La spectrométrie gamma est une des techniques principales pour la mesure de la radioactivité, qui permet d'identifier et quantifier les radionucléides. L'objectif de la thèse est de développer de nouvelles méthodes d’analyse des spectres gamma afin d'améliorer les limites de détection. Dans ce contexte, la première contribution est la proposition de nouvelle approches statistiques pour l'estimation des activités en spectrométrie gamma par le démélange spectral, qui consiste à décomposer un spectre gamma mesuré en spectres individuels des radionucléides. Contrairement aux méthodes standard, cette approche permet de traiter un spectre gamma dans sa globalité et prendre en compte la statistique Poisson du processus de détection. En modélisant l'estimation des activités comme un problème inverse sous la contrainte de non-négativité, le démélange spectral parcimonieuse est étudié pour estimer conjointement l'ensemble des radionucléides actifs et leurs activités. La deuxième contribution est l'utilisation métrologique du démélange spectral étudié, qui nécessite en plus l'évaluation des limites caractéristiques pour la prise de décision et l'étalonnage des instruments pour l'analyse quantitative.