La microscopie de fluorescence permet de s'appuyer sur la modélisation mathématique pour l'étude de mécanismes cellulaires complexes, mais les modèles préexistants ne permettent pas d'obtenir des informations à la fois sur les tendances globales et les comportements locaux, et ne sont pas adaptés à l'étude des interactions complexes entre les différents acteurs moléculaires. Dans cette thèse, nous proposons une approche mixte conçue pour pallier ces limitations, et l'appliquons à l'étude de deux mécanismes cellulaires. Nous proposons un premier modèle pour l'estimation de la diffusion locale en imagerie TIRF ; ce modèle permet l'évaluation de la diffusion en plusieurs spots de diffusion dans une région d'intérêt, répondant ainsi aux problèmes complexes causés par l'hétérogénéité de la membrane. Un deuxième modèle est introduit pour l'étude du comportement des centrosomes durant la division cellulaire, qui permet une meilleure compréhension des facteurs, et des interactions de ces facteurs, qui contribuent aux oscillations des centrosomes durant l'anaphase; ce modèle fournit des moyens de prédiction pour des phénotypes liés à des divisions asymétriques erronées. Ces deux modèles sont utilisés grâce à un nouveau cadre d'estimation de paramètres, qui s'appuie sur l'analyse de sensibilité et les méthodes bayésiennes ABC. Ce framework est polyvalent et facilement adaptable à d'autres contextes que celui des études présentées dans cette thèse.