La comparaison, à différents niveaux (systèmes de villes, villes, quartiers), de l'organisation spatiale et hiérarchique des systèmes urbains dans le monde fait apparaître des propriétés universelles (loi rang-taille, structure centre-périphérie des villes, etc.) mais également une grande variété de formes (répartition des populations, densités, prix, activités, etc.). Si les théories évolutionnaires urbaines et celles d'économie spatiale offrent des schémas explicatifs de cette émergence de formes, les modèles qui en sont issus se sont jusqu'à présent focalisé sur un seul niveau d'organisation spatiale, qu'il soitintra ou inter-urbain. Dans une optique d'aménagement durable, il est crucial de disposer de modèles permettant de raisonner sur les inter-dépendances qu'entretiennent ces niveaux d'organisation du peuplement. Cette thèse présenteune famille de modèles entités-centrés et d'outils dédiés à l'étude de cette problématique par la simulation à base d'agents. Ils s'inscrivent dans le projet Simpop et sont mis en oeuvre sur la comparaison des morphogenèses urbaines en Europe et aux Etats-Unis, sur la période 1800-2000. Ils incluent notamment le simulateur simpopNano, accompagné d'un environnement modulaire construit autour d’un SIG pour une exploitation systématique, intelligente et collective de modèles spatiaux. Ensemble, ils confortent l'idée que la seule différence des maillages des réseaux viaires des villes suffit à exprimer des répartitions spatiales plus diffuses sur les grilles américaines que sur les plans radioconcentriques européens. Ce modèle intra-urbain est ensuite articulé avec le modèle de systèmes de villes Simpop2 dans un modèle multi-niveaux. / The multilevel comparison of spatial and hierarchical organisations of urban systems over the world highlights some universal properties (rank-size law, center-periphery structure) but also a variety of more specific patterns (in terms of spatial repartition of populations, densities, prices, activities, etc.). The spatial economy and the urban evolutionnary theory both offer explanations of the emergence of such patterns, but the simulation models they support generally consider one level of spatial organisation only. Understanding and reconstructing those levels' interdependancies is a crucial issue for long-term sustainable urban planning. This thesis presents a set of models and tools that are dedicated to the study of this question through agent-based simulation. They have been developed in the context of the Simpop project, and particulary focus on the comparison of the morphogenesis of urban systems in Europe and in the United States over the period 1800-2000. These tools include the simpopNano agent-based model, and some experimentation modules integrated in an extensible, generic, GIS-based platform dedicated to a systematic, collective and intelligent exploration of spatial simulation models. Together, they reinforce the idea that difference of topology of the streets networks could be sufficient to generate some more diluted spatial repartitions, as observed in US cities when compared to european ones. This intra-urban model is then articulated with an inter-urban one, Simpop2, in a multilevel model. The latter serves to engage a comparison among a variety of approaches in agent-based simulation for coupling models of various levels of abstraction.