Cette étude est consacrée à la modélisation spatio-temporelle de la pollution atmosphérique urbaine en utilisant un ensemble de méthodes statistiques exploitant les mesures de concentrations de polluants (NO2, O3) fournies par un réseau de surveillance de la qualité de l'air (AIRPARIF). Le principal objectif visé est l'amélioration de la cartographie des champs de concentration de polluants (le domaine d'intérêt étant la région d'Île-de-France) en utilisant, d'une part, des méthodes d'interpolation basées sur la structure spatiale ou spatio-temporelle des observations (krigeage spatial ou spatio-temporel), et d'autre part, des algorithmes, prenant en compte les mesures, pour corriger les sorties d'un modèle déterministe (Filtre de Kalman d'Ensemble). Les résultats obtenus montrent que dans le cas du dioxyde d'azote la cartographie basée uniquement sur l'interpolation spatiale (le krigeage) conduit à des résultats satisfaisants, car la répartition spatiale des stations est bonne. En revanche, pour l'ozone, c'est l'assimilation séquentielle de données appliquée au modèle (CHIMERE) qui permet une meilleure reconstitution de la forme et de la position du panache pendant les épisodes de forte pollution analysés. En complément de la cartographie, un autre but de ce travail est d'effectuer localement la prévision des niveaux d'ozone sur un horizon de 24 heures. L'approche choisie est celle mettant en œuvre des méthodes de type réseaux neuronaux. Les résultats obtenus en appliquant deux types d'architectures neuronales indiquent une précision correcte surtout pour les 8 premières heures de l'horizon de prédiction