Ce travail a pour objectif d’étudier les conditions physicochimiques qui causent dans la Loire des développements excessifs de phytoplancton, et de mettre en évidence les modifications des équilibres biogéochimiques qui en résultent. L’analyse des variables de l’eutrophisation a été conduite sur plusieurs niveaux d’échelle temporelle et spatiale, sur la base de longues chroniques de qualité de l’eau (1980- 2012), de données acquises à l’échelle journalière pendant la thèse (2012-2014), et d’un modèle numérique biogéochimique à résolution horaire. Depuis les conditions hypereutrophes des années 1980, la biomasse phytoplanctonique qui se développe en période estivale a été réduite d’un facteur 2,5 dans la Loire et dans ses affluents, de manière concomitante avec la baisse généralisée d’un facteur 3 des teneurs en phosphore biodisponible, liée au contrôle des rejets ponctuels urbains et industriels. Le fleuve de la Loire (France) reste cependant sensible à l’eutrophisation, du fait d’une forte pression agricole et urbaine, des étiages prononcés, et une morphologie fluviale à chenaux multiples qui ralentit l’écoulement, laissant pleinement au phytoplancton le temps de se développer. Lorsque les conditions hydrologiques le permettent, le développement du phytoplancton impacte fortement le fonctionnement de l’écosystème, en agissant significativement sur les cycles biogéochimiques des nutriments, du carbone et de l’oxygène. / This thesis aims at studying the physical and chemical causes and consequences that result from excessive phytoplankton growth in the Loire River. The analysis identified some parameters characterizing river eutrophication and was conducted on several spatial and temporal scales. This was based on long-term water quality time-series (1980-2012), a daily survey carried out during this work (2012-2014), and the numerical modeling of the river biogeochemical functioning with an hourly resolution. Phytoplankton development in summer was reduced 2.5-fold in the Loire River and in the main tributaries, synchronously with the generalized reduction 3-fold of bioavailable phosphorus as a result of controlling and limiting phosphorus point sources. However, the Loire River remains sensitive to eutrophication, with a significant urban and agricultural pressure, low water levels in summer, and its multiple channels morphology slowing down the water velocity. All these factors combined favor phytoplankton development. When hydrological conditions are favorable, phytoplankton grows and significantly affects the ecosystem functioning, with an impact on nutrients, carbon and oxygen biogeochemical cycles.