La création du groupe C40 Cities Climate Leadership (C40) en 2005 illustre bien le fait que l'échelle urbaine est dorénavant considérée comme comportant des leviers d'action importants afin d'atténuer les émissions de CO2. Il n'y a cependant toujours pas adéquation entre cette prise de conscience et le nombre d'outils de modélisation capables de quantifier cette marge de manœuvre de manière spatialement explicite et intégrée. Cette thèse vise à combler cette lacune. L'objet produit consiste en un modèle d'équilibre général spatialisé et multi-échelle, pensé de sorte à être relié à toute architecture de modélisation préexistante. Cette thèse s'articule autour de trois chapitres, i.e. la présentation du modèle, sa calibration et son application à la France et aux USA.Dans le premier chapitre, nous décrivons le modèle, baptisé GEMSE, dont l'objectif est d'étudier les interactions entre les dimensions agrégées et locales de l'activité économique tout en quantifiant les émissions de GES associées à la mobilité. Le modèle s'appuie sur l'Economie Urbaine et la Nouvelle Economie Géographique en vue de modéliser sur plusieurs échelles spatiales le développement économique de régions urbanisées en interaction.Dans le deuxième chapitre, nous décrivons les données et calibrons le modèle en utilisant, pour certains paramètres, des techniques d'économétrie spatiale. Nous proposons notamment une méthode pour spécifier la matrice de poids spatial, laquelle méthode est opérationnalisée en utilisant un outil numérique développé à ces fins, PyOKNN, indépendant de GEMSE. Appliqué au Grand Paris, l'outil identifie de façon tangible des éléments clés de sa structure spatiale, et génère pour les paramètres étudiés des valeurs similaires à celles de la littérature.Dans le troisième chapitre, nous appliquons le modèle à la France et aux Etats-Unis. Nous y analysons le scénario de référence, puis les impacts de deux politiques de transport. La première mesure – la baisse des limitation de vitesse des véhicules privés – stimule l'activité économique de manière pro-environnementale en réduisant le PIB dans un premier temps, mais en lui permettant ensuite d'atteindre des niveaux plus élevés, aboutissant à un jeu à somme positive. L'autre mesure simule la mise en place d'une taxe CO2 pour les véhicules privés dont les recettes servent à financer l'augmentation des vitesses des transports publics. Il en résulte qu'un prix de 100€ par tonne de CO2eq n'a qu'un faible effet incitatif car ne représente presque rien par kilomètre-voyageur. Ces deux mesures, le changement de norme ou le recyclage de la taxe, poussent à l'utilisation de modes de transport moins couteux et moins polluants qui stimule une croissance à plus faible intensité carbone.Dans l'ensemble, ces conclusions plaident en faveur de politiques qui internalisent les effets distorsifs, e.g. les changements dans les habitudes de mobilité, la réorientation des demandes, les déséquilibres du marché du travail via les délocalisations des personnes et des changements induits en matière d'économies d'échelle externes. Les résultats ne sont dans leur ampleur que peu généralisables dans l'espace et montrent la nécessité de considérer les spécificités locales et le cadre dans lequel elles s'insèrent en terme d'interactions / The creation of the C40 Cities Climate Leadership group (C40) in 2005 is a noteworthy example that the urban scale is considered as a major leeway to mitigate CO2 emissions. Nevertheless, the adequacy between this recent awareness and the number of modeling tools capable of quantifying this leeway in a spatially explicit integrated way is still missing. This thesis aims at bridging this gap. The outcome consists of a model that incorporates general equilibrium theory with an explicit representation of space at multiple scales. The model is designed as an autonomous numerical entity connectable to any pre-existing modeling architecture. This thesis hinges around three chapters, i.e. the presentation of the model, the calibration of the model and its application to France and the USA.In the first chapter, we describe our so-called GEMSE model whose aim is to investigate the interplays between aggregate and local dimensions of economic activity while quantifying GHG emissions associated to mobility. The model is based on Urban Economics and the New Economic Geography to model on multiple spatial scales the economic development of urban areas in interaction.In the second chapter, we describe the data and calibrate the model by using, for some parameters, spatial econometric techniques. Notably, we propose a new method to specify the spatial weight matrix, operationalized by using a numerical tool developed on purpose, namely PyOKNN, independent of GEMSE. Applied to Greater Paris, the tool identifies in a tangible way some key elements of its spatial structure, and yields values for the parameters under study that are similar to those of the literature.In the third chapter, we run simulations of our model for both France and the USA. We analyze the baseline case and the impacts of two transport policies on several relevant dimensions for the long-term development of urban areas. The first measure – the decrease in private vehicle speed limitation – stimulates economic activity in a pro-environmental fashion by contracting GDP in a first phase but then allowing it to reach higher levels, resulting in a positive sum game. The second measure is the implementation of a CO2 tax to private vehicles whose collected revenues are used to finance an increase in public transport speeds. The main policy insight is that setting a price of 100€ per tonne of CO2eq represents virtually nothing once converted per commuter-kilometer and deters only marginally the use of cars. These two measures, the change in speed limitation or the recycling of the tax, encourage the use of cheaper and less polluting modes of transport, which induces a low-carbon growth.Overall, these conclusions call for policy designs that internalize distortive effects, e.g. changes in mobility habits, the reorientation of demands, unbalances in labor markets via people’s relocations and firms’ improvements in terms of economies of scale. The results can rarely be generalized in terms of magnitude from one region to another, which shows the necessity to consider local specificities as well as the framework within which they interact