Au cours des soixante dernières années, la population mondiale a connu un sursaut spectaculaire, passant de 2,5 milliards d’habitants à la fin de la Seconde Guerre mondiale à 7 milliards en 2011. Cette croissance démographique se distingue des précédents épisodes tant par son importance que par l'apparition conjointe d'une tendance nouvelle et soutenue à la concentration des populations au sein des villes. Appelée à se renforcer partout dans le monde, cette tendance au grossissement des villes lance un véritable défi à la communauté internationale en matière de durabilité de notre système économique en général et alimentaire en particulier. Cette thèse propose un traitement théorique de la question de la durabilité des systèmes d'approvisionnement alimentaires en milieu urbain. A la frontière entre économie publique et économie géographique, elle poursuit comme objectif principal de permettre la conduite d'une analyse formalisée des arbitrages environnementaux et sociaux dans un cadre spatial explicite. En outre, l'idée selon laquelle aucune réponse ne saurait être satisfaisante sans qu'une attention spécifique soit portée aux interactions spatiales, économiques et écologiques entre espaces urbains et agriculture constitue l'un des positionnements clés défendus dans ce travail. De manière générale, les travaux de cette thèse font apparaître l'élément majeur suivant: du fait de la forte et inextricable interconnexion entre milieux urbain et rural, l'évaluation environnementale, sociale et économique d'un système alimentaire ne peut se faire qu'en connaissance des caractéristiques démographique et physique de la ville concernée. / Over the past sixty years, the world population has experienced a dramatic surge from 2.5 billion people by the end of World War II, to 7 billion in 2011. This population growth differs from previous episodes not only in importance, but also because of the joint emergence of a new and ongoing trend of rising urbanization. Expected to strengthen worldwide, this trend is a real challenge for the international community in terms of sustainability, especially for food supply. This thesis provides a theoretical treatment of food supply chain sustainability in a context of rapid and unrelenting urbanization. Halfway between economic geography and environmental economics, its primary goal is to allow for a theoretical formalization of ecological and social trade-offs in a spatially explicit framework. Besides, we argue that this issue cannot satisfactorily resolved without paying specific attention to urban-rural interactions. Our work discloses the following major element : because of the tight and inextricable interconnection between urban and rural areas, the ecological assessment of any food supply chain can only be achieved by taking into account both the demographic and physical features of cities.