Les fractures naturelles ont un impact considérable au sein d'un réservoir, que ce soit dans les domaines de l'ingénierie pétrolière et minière, ou de l'hydrogéologie. En effet, qu'elles soient conductrices ou barrières, elles contrôlent généralement les écoulements ainsi que les capacités de stockage des réservoirs. Ces travaux de thèse s'inscrivent au sein de la chaîne de modélisation numérique d'un réservoir naturellement fracturé, leurs objectifs étant de caractériser, puis de modéliser les fractures en trois dimensions. Les méthodologies proposées abordent successivement les premières étapes logiques de cette modélisation: 1. La caractérisation des fractures naturelles à partir de données structurales: les données tensorielles de déformation (résultant d'une modélisation génétique ou inverse) sont intégrées au sein d'une approche tridimensionnelle géomécanique et probabiliste afin de déterminer de nouveaux indicateurs structuraux de fracturation, notamment concernant son intensité et son orientation. La formulation mathématique adoptée prend également en compte les incertitudes sur les propriétés pétrophysiques des roches. 2. La modélisation numérique d'un réseau de fractures: une approche tridimensionnelle par réseau de fractures discrètes a été développée du fait de sa flexibilité et de son réalisme. Une simulation numérique stochastique offre la possibilité de modéliser tout type de réseau de fractures respectant des données de terrains et des contraintes géologiques prédéfinies (confinement aux couches, chronologie relative des fractures, etc.). 3. L'analyse de la connectivité de réseaux de fractures discrètes: une structure de type graphe reflète les relations de connectivité entre les fractures discrètes d'un réseau en trois dimensions. Différentes méthodologies d'analyse qualitative et quantitative de cette connectivité sont ensuite exposées, leur but étant d'améliorer la compréhension de l'impact de la fracturation sur les écoulements fluides