La caractérisation de l'agencement spatial des propriétés hydrauliques est essentielle pour prédire les écoulements et le transport des solutés dans les milieux hétérogènes. Les méthodes de tomographie hydraulique, principalement développées pour estimer les propriétés des milieux poreux, n'ont qu'une faible résolution spatiale qui ne reflète pas la vraie hétérogénéité des distributions de fractures des milieux fracturés. Le principal objectif de cette thèse est de développer une nouvelle méthode d'inversion spécifique pour imager les propriétés hydrauliques et de transport des milieux fracturés à l'échelle du site. Pour atteindre ces objectifs, des expériences in situ ainsi qu'une nouvelle approche de modélisation inverse sont proposées, notamment en utilisant la température comme marqueur des écoulements. Nous proposons tout d'abord la tomographie d'écoulement basée sur des tests séquentiels de débimétrie entre puits, comme une nouvelle approche pour caractériser la connectivité des fractures ainsi que leur transmissivité. À partir de simulations numériques reproduisant des cas d'études synthétiques, nous montrons que l'approche par tomographie réduit significativement l'incertitude sur les paramètres estimés, et fournit une caractérisation détaillée du réseau de fracture sans requérir à l'utilisation d'obturateurs hydrauliques. Nous montrons ensuite comment les mesures de température peuvent être utilisées pour quantifier les écoulements dans les milieux fracturés. Le grand intérêt d'utiliser la température est d'obtenir facilement et de façon continue en puits des profils de température. En utilisant un modèle numérique d'écoulement et de transfert de chaleur à l'échelle du puits, une méthode d'inversion pour estimer les vitesses d'écoulement dans le puits à partir des données de température est proposée. Nous couplons ensuite les deux approches présentées précédemment dans une nouvelle approche expérimentale consistant en des enregistrements séquentiels de température dans un puits dans des conditions de pompage entre puits. L'application de cette approche de tomographie en température sur le site de Stang er Brune montre des résultats encourageants pour l'identification du réseau global de connectivité et des zones d'écoulement principales. Enfin, nous discutons de l'intérêt d'utiliser la chaleur comme traceur par rapport à l'utilisation de traceurs classiques. Nous montrons que réaliser des tests de traçage thermiques en milieu fracturé fournit des contraintes supplémentaires importantes sur les propriétés de transport du milieu.