Le bassin crétacé de Tsagaan Els est situé dans le désert de Gobi en Mongolie. L’objectif de cette thèse est de mieux comprendre le fonctionnement hydrogéologique et hydrochimique de ce bassin endoréique afin de faciliter l’implantation de futurs projets miniers. Dans cette optique, un modèle hydrogéologique régional 3D a tout d’abord été développé sous MODFLOW. La calibration à partir des niveaux piézométriques mesurés sur les ouvrages présents au sein des licences et quelques puits nomades, aboutit à plusieurs solutions. Elles présentent chacune des conductivités hydrauliques en accord avec les tests de pompages, et des taux de recharge entre 0.6 et 3.1 mm/an, cohérents avec le climat actuel. Ce modèle a ainsi permis d’étendre nos connaissances piézométriques au-delà des licences et d’effectuer un bilan hydrique régional. Ensuite, l’âge des eaux a été estimé numériquement via ce modèle puis par des datations 14C. Une comparaison des résultats de ces méthodes a indiqué que les solutions présentant des taux de recharges élevés étaient plus probables que celles en présentant de plus faibles à conditions que les écoulements soient restés les mêmes durant les trente derniers milliers d’années. En parallèle, une étude hydrochimique portant sur les ions majeurs, le brome et les isotopes stable de l’eau (18O et 2H) a montré que l’origine de la salinité des eaux était principalement liée à la dissolution d’évaporites superficielles. En dernier lieu, un modèle 3D local, centré sur la playa terminale du bassin a permis de mieux comprendre le fonctionnement actuel et passé du bassin en s’appuyant sur l’évolution spatiotemporelle de la salinité. / The Tsagaan Els basin is located in the Gobi desert, in Mongolia. This thesis aims to better understand the hydrogeology and hydro-chemistry of the basin in order to optimize the future mining projects. To this end, a 3D groundwater flow model of the basin has first been developed under MODFLOW. The latter was calibrated using piezometric network data and levels in a few nomadic wells. Several solutions were found with hydraulic conductivity values in agreement with pumping tests and recharge rates between 0.6-3.1 mm/yr in agreement with the current climate. The model helped us to extend our piezometric knowledge beyond AREVA’s mining licenses and to establish a regional water balance model. Groundwater age was then estimated with this model and with 14C dating. A comparison of the results of these two methods showed that calibrated solutions with higher recharge are more likely than those with lower recharge under the hypothesis that groundwater flow has not changed significantly during the last 30 kyrs. Meanwhile, a hydrochemical study using major ions, bromines and the stable isotopes of water (18O and 2H) showed that groundwater salinity mainly comes from dissolution of surficial evaporites: likely gypsum and halite and possibly thenardite. Even though evaporation is the main driving force of the groundwater flow, this process, when taking place in subsurface, seems to have no real influence on δ18O and δ2H values of the groundwater. Last a 3D local groundwater flow model centered on the terminal playa and based on the spatiotemporal evolution of the salinity, led us to a better understanding of the past and current hydrogeological functioning of the basin.