La restauration est un outil de géologie structurale qui a prouvé son utilité dans divers domaines, tels que la compréhension des mécanismes de déformation, la prédiction de fractures, la validation de modèles structuraux, etc. En 3D, l'approche géomécanique est particulièrement prometteuse, puisqu'elle permet non seulement de connaître la déformation en tout point du modèle, mais aussi de prendre en compte les contrastes de propriété des matériaux. Cependant, elle nécessite un maillage tétraédrique du modèle dont la génération est à ce jour très difficile dans le cas de modèles à géométrie complexe (réseaux de failles interconnectés ou à faible rejet, discordances ou amincissements de couche). La modélisation implicite consiste à représenter les horizons stratigraphiques par des isovaleurs de propriété, ce qui permet de s'affranchir de la plupart des contraintes de maillage. Dans une première partie, une méthode de restauration géomécanique 3D applicable à des modèles implicites est présentée. La deuxième partie de ce travail s'intéresse à l'application de celle-ci à des cas complexes. Dans ce cadre, de nouvelles lois de comportement géomécaniques et conditions aux limites ont été développées, et des études de sensibilité à ces paramètres ont été menées. Ces travaux sont illustrés sur un bassin pétrolier complexe situé dans le delta du Niger où la restauration permet de définir une chronologie de déformation. Enfin, la troisième partie présente l'intégration d'une méthode de décompaction isostatique en volume au sein du processus de restauration 3D. Appliquée au synclinal des grès d'Annot (SE de la France), cette méthode permet de caractériser l'histoire de déformation et d'enfouissement du bassin