L'évolution à long terme des reliefs continentaux résulte de couplages complexes entre processus d'érosion et mouvements tectoniques qui tendent à s'équilibrer pour atteindre éventuellement un état stationnaire. La partie érosion de ces couplages est gouvernée par l'interaction entre des processus élémentaires de versant et de rivière, étroitement couplés, qui contrôlent l'organisation spatiale du réseau de drainage. Ces processus sont caractérisés par des vitesses d'érosion et de transport lentes sur les versants et très rapides dans les rivières, et dépendent souvent non-linéairement de la pente topographique et du flux d'eau. Il en résulte une dynamique complexe à l'échelle locale dont les conséquences à l'échelle continentale sur la vitesse et les volumes de matière transportés ne sont pas encore comprises. L'objectif de cette thèse a été de comprendre et modéliser cette dynamique à l'échelle des temps géologiques, dans le cadre de perturbations tectoniques simples, et pour des conditions climatiques constantes. Nous utilisons un modèle numérique permettant de simuler l'action de différents processus d'érosion de versant et de transport fluvial. Les solutions hors équilibre prédites par ce modèle ne pouvant être validées analytiquement ou à partir de données naturelles, une approche expérimentale inédite a été développée. Elle permet d'étudier précisément l'évolution d'une topographie soumise à l'action simultanée d'une surrection simple et de processus d'érosion et de transport par ruissellement. Au cours d'une expérience, la surface s'auto-organise d'abord en une série de bassins versants de géométrie similaire aux systèmes naturels, puis l'altitude moyenne du système s'approche quasi-exponentiellement d'une valeur constante, traduisant un état d'équilibre macroscopique. L'analyse couplée des expériences et des simulations numériques montre que cette dynamique dépend fortement de la présence de zones de drainages internes non connectées aux conditions limites du système, du degré de non-linéarité entre érosion et pente topographique et de l'existence d'un seuil d'érosion. A partir de l'analyse de systèmes naturels, via le formalisme de la relation pente-aire drainée, nous mettons en évidence l'existence d'un tel seuil dans les systèmes naturels. Pour ce faire nous avons développé un nouveau critère morphologique permettant de caractériser l'état dynamique des reliefs naturels. L'hypothèse d'équilibre dynamique entre érosion et tectonique, nécessaire à l'interprétation correcte des relations entre formes topographiques et processus d'érosion, peut être ainsi (in)validée. Ces résultats suggèrent que le seuil d'érosion habituellement négligé dans le calibrage des lois d'érosion élémentaires doit être explicitement pris en compte pour prédire correctement les formes topographiques naturelles, la dynamique de la croissance des réseaux de drainage et les relations à l'échelle continentale entre taux de dénudation et paramètres topographiques.