Le climat des années 2000 a été marqué en Europe par une vague d'épisodes chauds battant tous les précédents records saisonniers de température et s'accompagnant d'impacts sociétaux et environnementaux particulièrement sévères. Cette thèse se propose de contribuer à la compréhension des mécanismes physiques responsables de tels extrêmes, dans le but d'anticiper leurs réponses au changement climatique futur. Ce travail mêle ainsi analyses statistiques de données d'observations et de projections climatiques, et expériences de modélisation régionale. Nous montrons dans un premier temps que si la variabilité inter-annuelle du climat européen est pilotée par les fluctuations de la dynamique atmosphérique nord-atlantique, le récent réchauffement apparaît dissocié de potentiels changements dans la circulation. Cette divergence s'illustre particulièrement lors de l'automne exceptionnellement doux de 2006. Les récentes conditions chaudes en surface de l'océan Atlantique nord semblent contribuer au réchauffement européen en automne--hiver, tandis que des processus amplificateurs plus locaux apparaissent au printemps--été (e.g., influence de l'humidité des sols). La seconde partie de notre travail, basée sur les projections climatiques de l'International Panel on Climate Change, montre que la divergence constatée sur la période présente semble se poursuivre dans les projections futures. En particulier la variabilité interne de la dynamique nord-atlantique n'apparaît que peu affectée par le changement climatique. Les futurs extrêmes de température seraient alors associés à des circulations similaires aux circulations observées lors des extrêmes récents. Dans ce cadre, l'hiver européen de 2009/10 fournit une illustration d'un événement extrême froid dans un climat déjà plus chaud.