Les nouvelles avancées dans le domaine des microsystèmes et des nanostructures amènent en particulier à repenser les métrologies thermiques. Le but de cette thèse est de maîtriser, par la modélisation, une microscopie à force atomique instrumentée d'une sonde thermique pour estimer la conductivité thermique d'un échantillon à l'échelle submicrométrique. Nous avons d'abord établi un modèle analytique compact et complet permettant de comprendre les phénomènes impliqués dans cette métrologie lorsque la pointe est chauffée en régime continu. Nous avons ainsi caractérisé le domaine d'utilisation et les limitations de ce microscope. Nous avons ensuite conçu et modélisé un nouveau procédé opérant en régime périodique pour mesurer de manière plus précise les propriétés thermiques locales. L'analyse rétrospective de nos résultats a conduit enfin à une identification des contributions de chaque mode de transfert entre la pointe et l'échantillon ainsi que leur surface d'échange respective.