Nous abordons dans cette thèse la problématique liée à la modélisation d'environnements urbains virtuels pour des fins de simulation de la mobilité. En premier lieu, nous proposons une nouvelle approche de conception d'un Environnement Urbain Virtuel (EUV) permettant une modélisation multi-échelle grâce à l'utilisation d'un patron de conception qui met en relation les lieux d'activité et les différents réseaux de transport. Dans ce patron, une notion simple de desserte nous permet de modéliser à la fois l'accès à des lieux, le transfert modal et le changement d'échelle. Ce patron peut être spécialisé dans diverses structures à diverses échelles (macro, méso, micro, etc.). Nous formalisons l'EUV en utilisant la théorie des graphes, ce qui permet une implantation rigoureuse de ces concepts, tout en tenant compte des principales fonctions classiquement utilisées pour la simulation des parcours dans les réseaux de transports. En second lieu, nous proposons une démarche pour enrichir l'EUV avec les données de la population qui l'occupe afin d'aboutir à l'Environnement Urbain Peuplé (EUP). Le modèle de l'EUP regroupe alors à la fois la demande et l'offre en transports. Notre démarche réduit le problème en deux sous-problèmes semblables mais qui se traitent différemment: 1) l'allocation des attributs non spatiaux (donc la génération de la population synthétique) en combinant une approche de reconstruction synthétique avec un algorithme d'apprentissage non supervisé et 2) l'allocation des attributs spatiaux (donc l'assignation des lieux d'occupation) en combinant une approche de prédiction des temps de parcours (avec l'utilisation potentielle d'un algorithme d'apprentissage supervisé) avec un algorithme d'appariement dans un graphe biparti et pondéré. Au niveau de la validation, en plus des méthodes statistiques qui existent pour mesurer la vraisemblance d'une population synthétique, nous proposons une série de validations unitaires devant se faire au moment même de la création de l'EUP. Nous présentons TransNetSim, la plateforme de simulation multi-agent des déplacements que nous avons développée et qui tire partie de tous les avantages de notre modèle de l'EUP. En comparant TransNetSim par rapport à des outils existants, nous montrons qu'il regroupe un ensemble de caractéristiques qui font de lui un prototype prometteur. Particulièrement, le principe de la matrice de routage dans laquelle on compile tous les chemins optimaux en prétraitement offre un grand apport au niveau de la faisabilité computationnelle de l'approche multi-échelle. L'utilisation de la plateforme a été illustrée par la simulation du trafic de véhicules dans la ville de Québec à une échelle méso et dans le campus universitaire à une échelle micro. Finalement, nous montrons comment l'utilisation d'outils SOLAP permet d'une façon simple et efficace d'analyser et de calibrer les résultats de nos simulations (génération de la population synthétique, données résultant de la simulation du trafic).