La restauration équilibrée de structures géologiques n'est pas une idée nouvelle. Dès 1910, Chamberlin utilise des méthodes manuelles de restauration sur des coupes géologiques. Par restauration, il faut comprendre l'ensemble des transformations permettant de retrouver, à partir de l'état actuel d'une structure géologique, son état initial. Il s'agit donc à la fois d'effacer les conséquences des déformations continues (plis) et discontinues (failles). Les premières approches de restauration étaient purement bi-dimensionnelles car, d'une part les données disponibles l'étaient également, et d'autre part, les problèmes à résoudre étaient plus simples en 2D qu'en 3D. Aujourd'hui, grâce aux progrès des outils d'acquisition et de traitement, il est possible de mettre en place des techniques de restauration en 3D. Ces techniques sont construites sur des bases communes, en particulier elles partagent les mêmes modèles de déformation et les mêmes principes fondamentaux que sont la conservation de la matière et la minimisation de la déformation induite par la restauration (appelée rétro-déformation). Ce mémoire présente deux nouvelles techniques de restauration: - la première approche proposée est basée sur des algorithmes utilisant la représentation paramétrique d'une surface pour restaurer un horizon géologique et calculer la rétro-déformation, - la seconde montre comment restaurer des structures géologiques volumiques grâce à l'interpolation du champs des vecteurs de restauration en 3D, en s'assurant que les deux principes fondamentaux (préservation de la matière et minimisation de la rétro-déformation) sont vérifiés. Le calcul et l'analyse de la rétro-déformation constituent, pour les deux approches, un point essentiel de la technique. Des outils spécifiques ont été développés pour faciliter la visualisation et l'interprétation des résultats obtenus.