Ce travail de thèse s'inscrit dans le domaine de la vision artificielle. Plus précisément, nous nous sommes intéressés au suivi temps réel vidéo d'objets 3D mobiles dans des séquences d'images. A l'orgine de ces travaux, se trouve un algorithme, développé au LASMEA, dédié au suivi de motifs planaires texturés. Nous nous sommes proposés d'adapter cette méthode de suivi 2D à l'estimation du mouvement apparent d'objets 3D. Pour cela, l'objet 3D est modélisé à l'aide d'une collection d'images de référence. Pour chacune de ces vues, la solution 2D citée précédemment permet de suivre les mouvements fronto parallèles (déplacements de l'objet parallèlement au plan image) qui ne modifient pas de façon majeure l'aspect apparent dans l'image. Le point délicat, solutionné dans le cadre de cette thèse, est la détection et la gestion du changement d'aspect du motif suivi dû à des rotations relatives (caméra/objet) en site et azimut. Sur le plan pratique, l'approche proposée a permis le développement d'un système expérimental de suivi d'un visage et la navigation automatique d'un bras robotique, muni d'une caméra embarquée, autour d'un objet 3D.