La structuration de la Zone Axiale des Pyrénées Orientales est le résultat d'une évolution thermique et tectonique complexe depuis plus de 300 Ma, synthétisée dans le premier chapitre de ce mémoire. Dans le but de mieux appréhender cette évolution à l'échelle des différents massifs de cette Zone Axiale, une approche thermochronologique multi-méthodes (U-Pb, 40Ar/39Ar, traces de fission et (U-Th)/He) a été mise en œuvre afin de dater et quantifier les processus thermiques et mécaniques qui participent à leur exhumation (Second chapitre). L'activité essentiellement alpine de la faille de la Têt fait l'objet du troisième chapitre, par la reconstitution de l'histoire thermique des massifs du Canigou et de Mont-louis, respectivement au mur et au toit de la faille. Un réchauffement généralisé du socle gneissique du Canigou au Crétacé moyen-supérieur, une exhumation du massif de Mont-Louis synchrone des chevauchements pyrénéens éocènes et une surrection importante du Canigou lors de la phase extensive oligo-miocène sont les principaux résultats obtenus. Le quatrième chapitre fait état des données thermochronologiques obtenues sur les massifs de Saint-Laurent et des Albères qui attestent également d'une exhumation différentielle au cours du cycle alpin. La datation 40Ar/39Ar par sonde laser des mylonites jalonnant les zones de failles globalement E-W à NW-SE qui parcourent l'ensemble de la chaîne pyrénéenne fait l'objet du cinquième chapitre. Une importante phase de recristallisation statique d'âge crétacé moyen à supérieur se localise sur ces zones mylonitiques probablement en partie héritées de l'histoire hercynienne de la Zone Axiale. Une déformation ductile globalement chevauchante vers le Sud et relativement froide (< 400°C), que nous relions à l'événement compressif pyrénéen s.s., a été datée à 58 Ma sur l'accident de Mérens et à 38 Ma sur celui du Boulou-Le Perthus, ce qui témoigne de la pérennité du régime compressif. Pour conclure, l'ensemble des données a été replacé dans un cadre général d'évolution de la chaîne des Pyrénées. L'utilisation de plusieurs thermochronomètres pour l'établissement des chemins température-temps nous a permis de mieux tester la validité des âges obtenus et de discuter les causes possibles des quelques incohérences observées dans l'enregistrement des principaux événements thermo-tectoniques.