La structure musicale, définie comme la représentation simplifiée de l'organisation d'un morceau de musique, est un concept musicologique important mais néanmoins complexe à estimer automatiquement. Cette thèse présente de nouvelles méthodes pour estimer automatiquement la structure musicale, se focalisant sur l'étude à l'échelle de la mesure musicale. Par le développement d'un nouvel algorithme de segmentation (appelé ''CBM'') et par l'étude et la comparaison de différentes méthodes de compression non supervisées (allant de l'algèbre linéaire et multilinéaire aux réseaux de neurones), les paradigmes introduits dans cette thèse permettent d'obtenir des résultats quantitatifs dépassant l'Etat-de-l'Art non supervisé actuel et se rapprochant de l'Etat-de-l'Art global, issu de méthodes d'apprentissage avec supervision. En particulier, les méthodes décrites dans cette thèse étant non supervisées, l'estimation ne repose pas sur des bases de données annotées, permettant ainsi de mitiger les biais liés à l'ambiguïté et à la subjectivité (inhérents à la structure musicale), tout en limitant le perte en performance par rapport aux meilleures méthodes supervisées. Enfin, certaines méthodes étudiées dans cette thèse (en particulier la décomposition nonnégative en Tucker) permettent d'extraire automatiquement des parties interprétables de la chanson qui pourraient être utilisées pour d'autres tâches que l'estimation de structure, et s'intégrer dans le développement d'algorithmes interprétables d'apprentissage automatique profond, sujet de recherche majeur aujourd'hui.