Cette thèse est centrée sur la synthèse, la caractérisation, la fonctionnalisation et les études in vitro et in vivo de différents types de nanoparticules (NPs) de très petite taille (NPs de silicium ; « carbon dots » ; NPs de cobalt couvertes de silice) qui présentent une luminescence ou des propriétés magnétiques et qui peuvent être fonctionnalisées par des liaisons covalentes. Tous les systèmes étudiés sont très intéressants pour l'imagerie multimodale in vivo, ce qui nécessite l'ancrage stable de fonctionnalités multiples sur une seule plate-forme nanométrique. Dans cette perspective, les NPs ont été fonctionnalisées avec des groupements amine et, puis, couplées avec des colorants ou des marqueurs radioactifs afin d'effectuer, in vivo, de l’imagerie optique ou de tomographie d'émission des positrons. Lorsqu’elles sont étudiées in vitro, les NPs ont présenté une cytotoxicité très faible. Les expériences in vivo ont donné des résultats très prometteurs puisque les NPs ont été excrétées par le corps en très peu de temps, principalement par un mécanisme de clairance rénale, avec une faible accumulation dans les organes. / This thesis focuses on the synthesis, characterization, functionalization and in vitro and in vivo investigation of different kinds of ultrasmall nanoparticles (silicon nanoparticles: Si NPs; carbon dots: CQDs; silica-coated cobalt NPs: Co@SiO2 NPs) which exhibit luminescence or magnetic properties and can be functionalized through covalent bonds. All the systems studied are very attractive for in vivo multimodal imaging, which requires the stable anchoring of multiple functionalities on a single nano-sized platform. In this perspective, nanoparticles were functionalized with amine-moieties and, subsequently, coupled with dyes or radiolabels in order to perform in vivo optical or positron emission tomography imaging. When tested in vitro, ultrasmall nanoparticles showed very low cytotoxicity. In vivo experiments gave very promising results since nanoparticles were excreted from the body in short times, mainly through a renal clearance mechanism, with low accumulation in organs.