Ce travail de thèse répond à deux objectifs principaux. Le premier concerne la conception de métamatériaux électromagnétiques en vue de l'obtention de paramètres effectifs, et particulièrement d'indices de réfraction négatifs, dans des gammes de fréquences allant des micro-ondes à l'infrarouge. Le second objectif a trait à la conception de systèmes exploitant les possibilités offertes par les métamatériaux pour remplir des fonctions de contrôle de la propagation et du rayonnement électromagnétique. Pour la partie de conception de métamatériaux, nous présentons et analysons une série de résultats de simulation et de caractérisation expérimentale pour plusieurs prototypes à base de résonateurs métalliques de différents types, ainsi que des réseaux de grilles métalliques superposées. Des indices effectifs négatifs sont obtenus autour de 100 et 500 GHz, avec de remarquables performances en termes de pertes d'insertion et d'adaptation d'impédance, correspondant à l'état de l'art actuel. Pour la partie de conception de systèmes, nous présentons un ensemble de travaux exploitant la méthode dite « d'optique de transformation ». Une première étude a trait à l'implémentation sous forme de métamatériaux à résonateurs de Mie d'un dispositif d'invisibilité. Une seconde étude concerne un ensemble de dispositifs apparentés à des hyperlentilles, susceptibles de réaliser différentes fonctions sur des images de champ proche. Enfin, une dernière étude concerne une proposition de système de contrôle du diagramme de rayonnement d'une antenne exploitant les propriétés des espaces courbes pour la propagation des ondes.