Abstract : Malignant brain tumors are the second leading cause of cancer related deaths in children under 20. There are nearly 700,000 people in the U.S. living with a brain tumor and 17,000 people are likely to loose their lives due to primary malignant and central nervous system brain tumor every year. To identify whether a patient is diagnosed with brain tumor in a non-invasive way, an MRI scan of the brain is acquired followed by a manual examination of the scan by an expert who looks for lesions (i.e. cluster of cells which deviate from healthy tissue). For treatment purposes, the tumor and its sub-regions are outlined in a procedure known as brain tumor segmentation . Although brain tumor segmentation is primarily done manually, it is very time consuming and the segmentation is subject to variations both between observers and within the same observer. To address these issues, a number of automatic and semi-automatic methods have been proposed over the years to help physicians in the decision making process. Methods based on machine learning have been subjects of great interest in brain tumor segmentation. With the advent of deep learning methods and their success in many computer vision applications such as image classification, these methods have also started to gain popularity in medical image analysis. In this thesis, we explore different machine learning and deep learning methods applied to brain tumor segmentation. / Résumé: Les tumeurs malignes au cerveau sont la deuxième cause principale de décès chez les enfants de moins de 20 ans. Il y a près de 700 000 personnes aux États-Unis vivant avec une tumeur au cerveau, et 17 000 personnes sont chaque année à risque de perdre leur vie suite à une tumeur maligne primaire dans le système nerveu central. Pour identifier de façon non-invasive si un patient est atteint d'une tumeur au cerveau, une image IRM du cerveau est acquise et analysée à la main par un expert pour trouver des lésions (c.-à-d. un groupement de cellules qui diffère du tissu sain). Une tumeur et ses régions doivent être détectées à l'aide d'une segmentation pour aider son traitement. La segmentation de tumeur cérébrale et principalement faite à la main, c'est une procédure qui demande beaucoup de temps et les variations intra et inter expert pour un même cas varient beaucoup. Pour répondre à ces problèmes, il existe beaucoup de méthodes automatique et semi-automatique qui ont été proposés ces dernières années pour aider les praticiens à prendre des décisions. Les méthodes basées sur l'apprentissage automatique ont suscité un fort intérêt dans le domaine de la segmentation des tumeurs cérébrales. L'avènement des méthodes de Deep Learning et leurs succès dans maintes applications tels que la classification d'images a contribué à mettre de l'avant le Deep Learning dans l'analyse d'images médicales. Dans cette thèse, nous explorons diverses méthodes d'apprentissage automatique et de Deep Learning appliquées à la segmentation des tumeurs cérébrales.