L'imagerie optique diffuse de fluorescence est un outil émergent de diagnostic pour la localisation et la quantification de sondes fluorescentes dans les tissus biologiques. Les techniques temporelles sont un mode de réalisation de ce type d'imagerie. Le principe est d'utiliser une impulsion lumineuse, puis de mesurer sa déformation après interaction avec le milieu. Dans ce contexte, ce travail de thèse s'articule autour de l'étude de modèles de propagation lumineuse dans le cadre de l'approximation de la diffusion. La mise en œuvre d'un banc de mesure des courbes temporelles utilisant une chaîne de comptage de photon unique TCSPC (Time Correlated Single Photon Counting) est présentée. Nous avons proposé des méthodes de caractérisation des propriétés optiques (A. Laidevant et al., Applied Optics, 45(19), 4756-4764, 2006) et de localisation d'une inclusion fluorescente (A. Laidevant et al., Applied Optics, sous presse) dans un milieu diffusant homogène, en tenant compte de sa géométrie.