L'hydrogène (H2) est aujourd'hui l'une des molécules les plus prometteuses pour produire une énergie renouvelable sans émission de CO2. L'enjeu de cette thèse porte sur une domestication de la microalgue C. reinhardtii en vue de produire de l'H2 en conditions anoxiques à partir seulement de lumière, d'eau et de minéraux. Ce processus de production est par nature transitoire. Cependant, une production continue dans un système de culture contrôlé est envisageable pour rendre cette production d'H2 viable industriellement. Pour cela, une approche consiste dans le développement d'un système de culture bi-étagé opérant en continu et permettant de séparer spatialement deux étapes clés de la production d'H2, à savoir l'accumulation de réserves carbonées intracellulaires et la mise en anoxie. L'objectif de ce travail est d'étudier de façon approfondie l'étage 1, considéré comme l'étape conditionnant la stabilité du système, et de mettre en place le système pilote de production d'H2. La cinétique d'accumulation des réserves en amidon a été étudiée à partir de la mise au point d'un protocole dédié. À partir de ce protocole, les expériences réalisées ont permis de développer une méthodologie permettant de prédire les propriétés radiatives de C. reinhardtii en conditions de limitation azotée et de remonter à une information sur le champ de rayonnement dans le système de culture. De plus, un modèle stoechiométrique dynamique reposant sur une mesure de vitesse à partir des bilans gazeux a été développé posant les bases d'un outil d'estimation permettant de contrôler l'état physiologique de C. reinhardtii. Une étude comparative a été également réalisée pour deux régimes de lumière, montrant que l'effet d'une double limitation, nutritionnelle et par l'accès la source d'énergie, s'avérer négatif sur la cinétique d'accumulation de l'amidon. Enfin, le système bi-étagé de production continue d'H2 développé a été mis en œuvre et validé expérimentalement dans son concept, et a permis de soutenir une production d'H2 pendant 70 h.