Les liaisons bimétalliques entre acier faiblement allié et acier inoxydable sont nombreuses au sein des réacteurs nucléaires français où elles assurent la connexion entre les principaux composants et les tuyauteries du circuit primaire. Le revêtement interne de cuve réalisé par soudage feuillard-flux est un autre cas de soudure dissimilaire dont le rôle est d'assurer une bonne protection contre la corrosion. Ce travail de thèse a notamment pour but de comprendre la genèse des microstructures complexes se formant à l'interface entre les deux aciers pendant le soudage. Il étudie d'autre part leur évolution durant le traitement thermique post-soudage à 610°C ainsi que les conséquences de ces transformations sur le comportement mécanique du joint soudé. Partant du métal de base, on rencontre successivement une fine bande de martensite, une zone purement austénitique puis la microstructure biphasée δ/γ de l'acier inoxydable. Des techniques de microscopie (MEB, EDS, EBSD) combinées à des calculs thermo-cinétiques (modèle de Scheil-Gulliver, surfusion en pointe de dendrite) ont permis d'expliquer le gradient de microstructure et les raisons des transitions de phases observées. Au cours du traitement thermique de détensionnement à 610°C, le gradient de potentiel chimique du carbone à travers l'interface de fusion cause la dissolution de la cémentite et la croissance des grains du côté faiblement allié. On observe également la diffusion du carbone à travers l'interface et la précipitation de carbures riches en Cr dans le liseré martensitique et la zone austénitique. Une caractérisation détaillée des profils de composition et de la précipitation a été réalisée à différentes échelles (depuis le millimètre jusqu'au niveau atomique). Un modèle mésoscopique, s'appuyant sur des bases de données thermodynamiques et cinétiques, a été développé pour coupler la diffusion à longue distance dans un milieu multi-constitué à la germination et croissance des précipités (approche de type Kampmann-Wagner). Il a permis de prévoir la teneur en carbone ainsi que la fraction volumique et la distribution de taille des précipités en fonction de la distance à l'interface. Les conséquences de la forte variabilité de microstructure sur le comportement mécanique local ont été analysées dans la dernière partie de ce travail, en particulier les aspects de déformation localisée et de rupture ductile. Des lois de comportement élasto-plastique ont été déterminées pour chacune des régions de l'assemblage à l'état détensionné. L'étude des mécanismes de rupture ductile dans les zones les plus faibles de la soudure, c'est-à-dire le métal de base décarburé et les couches de revêtement austénitique a donné lieu à des observations in-situ et une modélisation de l'endommagement. / Dissimilar welds between low-alloy steel and stainless steel are numerous within the French nuclear power plants where they enable connecting the main components to the primary circuit pipes. The internal cladding (in stainless steel) of the pressure vessel (in bainitic steel) made by submerged arc welding is another case of dissimilar weld whose goal is the protection against corrosion. This PhD work aims at understanding the complex microstructures which form at the interface between both steels during welding together with their evolution during the post-weld heat-treatment at 610°C and their consequences on the mechanical behavior of the welded assembly. Starting from the base metal, one meets successively a thin layer of martensite, a fully austenitic zone and the two-phase δ/γ microstructure of the stainless steel. Microscopy techniques (SEM, EDS, EBSD) combined with thermo-kinetics calculations (Scheil-Gulliver model, dendrite tip undercooling) have allowed explaining the graded microstructure and the reasons for the observed phase transitions. During the post-weld heat-treatment, the large gradient of carbon chemical potential across the fusion line leads to cementite dissolution and grain growth on the low-alloyed side. Carbon diffusion through the interface and Cr-rich carbides precipitation in both the martensitic layer and the austenitic weld have also been observed. An in-depth characterization has been performed at different scales (from the millimeter to the atomic level) to quantify the extent of carbon diffusion and carbides precipitation during the phase transformations. A mesoscopic thermodynamic and kinetic model based on Calphad databases has been developed to fully couple long-range diffusion in a multi-component system with precipitates nucleation and growth (Numerical Kampmann-Wagner approach). It allowed a prediction of the carbon content, volume fraction and size distribution of the precipitates at any distance from the fusion line. The consequences of the high variability of microstructures on the local mechanical behavior have been examined in the last part of this work, in particular the localization of deformation and the ductile failure. Elasto-plastic constitutive laws were determined for each region of the dissimilar weld in the heat-treated state. Ductile failure mechanisms in the weak zones of the weld, namely the decarburized base metal and the stainless steel cladding layers, were investigated through in-situ observations and damage modeling.