La modélisation numérique des réservoirs souterrains est un outil essentiel à la compréhension de leur organisation, de leur fonctionnement et à la prévision des impacts des activités anthropiques sur leur évolution. Certains réservoirs se caractérisent par des géométries complexes qui vont directement influencer la connectivité hydrodynamique en leur sein, et plus largement l'hétérogénéité des propriétés du milieu et tous les processus physiques qui s'y déroulent. C'est le cas des bassins miniers ennoyés, des karsts, des chenaux, ou des dépôts salifères. L'objectif de mes travaux est de définir de nouvelles méthodologies de modélisation numérique adaptées à ces réservoirs à géométrie complexe et ce, en fonction de l'échelle spatiale et du processus physique d'intérêt. Dans une première partie, l'accent est mis sur le lien entre la stratégie de modélisation retenue et le phénomène étudié lorsque deux processus principaux, ou plus, entrent en jeu. Ceci est principalement illustré à travers des travaux menés sur la gestion de l'après-mine lorrain. La deuxième partie est consacrée à l'analyse et à la caractérisation des objets géologiques à géométrie complexe, et notamment des systèmes karstiques et chenalisés. La troisième partie s'intéresse aux méthodes de simulation stochastiques de ces milieux : l'objectif n'est pas de trouver la solution unique, mais d'identifier une/des solutions honorant les données disponibles et rendant compte de la réalité, de sa complexité et des incertitudes qui lui sont associées. Le dernier chapitre dresse enfin une rapide conclusion et présente les perspectives de ces travaux à court et moyen termes.