Les réactions redox impliquant l’oxygène dissous (OD) sont les plus énergétiques et offrent une source majeure d'énergie pour la biosphère profonde. La capacité des milieux fracturés à transporter rapidement des eaux oxygénées de la surface vers la profondeur permet le maintien d’une hydrosphère oxique profonde (HOP) jusqu’à présent négligée. Cette thèse porte donc sur l’origine, la dynamique et les conséquences de cette HOP. Dans un premier temps, nous établissons un cadre conceptuel pour identifier les facteurs qui contrôlent le transport réactif de l’OD à l’échelle d’un bassin versant. Nous développons un modèle d’interactions eau-roche afin de prédire la profondeur de l’HOP. Ce modèle est ensuite utilisé pour expliquer l’occurrence d’une HOP dans les premiers 300 mètres de profondeur de l’Observatoire de la Zone Critique de Ploemeur. Nous étudions le δ18O de l'OD au sein de l'HOP afin d'identifier la distribution des processus biotiques et abiotiques qui contrôlent la réactivité de l'OD dans le bassin versant. Dans un deuxième temps, nous développons deux expériences in-situ pour explorer les conséquences de l’HOP sur le fonctionnement biogéochimique de la subsurface. Grâce à un test de traçage réactif à l'OD et une expérience d'incubation de minéraux, nous démontrons, respectivement, la réponse de la biomasse planktonique et de celle attachée aux minéraux aux dynamiques oxiques-anoxiques de la subsurface. Ces travaux mettent en lumière une HOP dans laquelle les processus biogéochimiques souterrains sont sensibles aux dynamiques hydrologiques de surface impliquant le transport de l'OD, remettant ainsi en question le paradigme de la biosphère profonde en tant que système inertiel et anoxique.