Ce travail de thèse concerne une transversale complète des Pyrénées centro-occidentales, où on a combiné la thermochronologie basse température (traces de fission sur apatites, TFA) avec une analyse structurale détaillée pour décrire les mouvements verticaux associés à l'évolution du système chevauchant, et pour déterminer l'influence de ce dernier sur le cycle sédimentation/enfouissement/exhumation des dépôts synorogéniques du bassin d'avant-chaine sud (bassins de Jaca et Ainsa). L'analyse TFA complète les données déjà publiées dans la Zone Axiale et la Zone Nord-Pyrénéenne, et constitue la première étude de ce genre dans un bassin d'avant-chaîne pyrénéen. Les données TFA sur la transversale du bassin sud-pyrénéen montrent une diminution vers le sud du degré d'effacement des traces de fission, traduisant la diminution vers le sud de la quantité d'enfouissement, supérieure à 5 km au nord et inférieure à 3 km au sud dans l'hypothèse un géotherme de 25°.km-1. Le contexte géologique montre que l'enfouissement est principalement lié à l'accumulation des dépôts synorogéniques. Les données TFA de la partie nord du bassin montrent un refroidissement d'âge Oligocène supérieur-Miocène inferieur (moyen). Par ailleurs, une nouvelle interprétation de profils de sismiques réflexion dans le bassin de Jaca montre que le chevauchement d'Oturia s'enracine dans le chevauchement de socle de Bielsa, responsable de l'exhumation tectonique hors-séquence du bord sud de la Zone Axiale au Miocène inférieur (-moyen) (Jolivet et al., 2007). Ces résultats attestent donc de l'exhumation tectonique hors-séquence au Miocène inférieur (Burdigalien- ?Langhien) de la partie nord du bassin d'avant-chaine sud-pyrénéen. Des données TFA obtenues dans la Zone Axiale et la Zone Nord-Pyrénéenne confirment la migration générale vers le sud du système chevauchant, et mettent également en évidence la réactivation tectonique hors-séquence du bord nord de la Zone Axiale à l'Oligocène terminal-Miocène inférieur. L'ensemble de ces résultats atteste donc de la réactivation en « pop-up » de la parties interne des Pyrénées centre-ouest à l'Oligocène supérieur-Miocène inférieur (Burdigalien- ?Langhien), postérieurement au scellement du front sud-pyrénéen (Aquitanien- ?Burdigalien) classiquement considéré comme marquant la fin de la compression pyrénéenne. Ces données nous ont permis de proposer un nouveau modèle d'évolution crustale des Pyrénées centro-occidentales en 3 grandes étapes : (i) du Crétacé supérieur à l'Eocène moyen, le prisme est caractérisé par une absence de relief, en lien avec l'inversion de structures extensives crétacées conduisant à l'accrétion de petites écailles crustales ; (ii) la période Eocène supérieur-Oligocène correspond à la collision continentale proprement dite, et est marquée par la création d'importants reliefs associés à l'accrétion d'épaisses unités crustales ; (iii) au Miocène inférieur, la partie interne du prisme pyrénéen est réactivée. / In this work on a complete transect of the west-central Pyrenees, we combine low temperature thermochronology (apatite fission tracks, AFT) with a detailed structural analysis to describe vertical movements related to the thrusting system evolution, and to determine the influence of the latter on the sedimentation/burial/exhumation cycle of the synorogenic deposits of the southern foreland basin (Jaca and Ainsa basins). AFT analysis from a transect of the south-Pyrenean basin show the southward decrease of the fission track reset level from the southern edge of the Axial Zone to the South-Pyrenean frontal thrust, implying the southwards decrease of the burial amount from more than 5km in the north to less than 3km in the south assuming an average geothermal gradient of 25°C.km-1. The structural setting of the Jaca basin attests that the burial of the synorogenic sediments was mainly due to the sedimentary accumulation. AFT data from the northern part of the basin display a late Oligocene-early (middle) Miocene cooling event. New interpretation of industrial seismic reflection profiles across the Jaca basin suggests that the Oturia thrust is rooted in the Bielsa basement thrust, responsible for the early (-middle) Miocene out-of-sequence tectonic reactivation of the southern flank of the Axial Zone (Jolivet et al., 2007). These results reveal a lower Miocene (Burdigalian -?Langhian) out-of-sequence episode of tectonic activity of the interior of the south-Pyrenean foreland basin. AFT data from the Axial Zone and the North-Pyrenean Zone confirm the general southward migration of the thrusting system, and also bring evidence of the late Oligocene-lower Miocene out-of-sequence tectonic reactivation of the northern flank of the Axial Zone. All these results attest of a late Oligocene-lower Miocene (Burdigalian-?Langhian) 'pop-up' reactivation of the inner part of the west-central Pyrenees, younger than the sealing of the south-Pyrenean front (Aquitanian-?Burdigalian) which is classically considered to mark the end of the Pyrenean compression. These results lead us to propose a new crustal scale evolution model of the west-central Pyrenees in 3 stages: (i) From the Late Cretaceous to the middle Eocene, the orogenic prism is characterised by the absence of relief, related to the inversion of Cretaceous extensional structures leading to the accretion of thin crustal units; (ii) The late Eocene-Oligocene stage corresponds to the continental collision, marke d by the creation of important relief associated with the accretion of thick crustal units; (iii) During the early Miocene, the inner part of the Pyrenean wedge is tectonically reactivated.