Cette thèse porte sur la reconnaissance visuelle d'objets, un domaine qui reste un défi majeur en vision par ordinateur. En effet, malgré plus de vingt années de recherche, de nombreuses facettes du problème restent a ce jour irrésolues. La conception d'un système de reconnaissance d'objets repose essentiellement sur trois aspects: la représentation, la détection et l'apprentissage automatique. La principale contribution de cette thèse est de proposer un système générique pour la représentation statistique des caractéristiques visuelles et leur détection dans les images. Le modèle proposé combine différents concepts récemment proposés en vision par ordinateur, machine learning et neurosciences: a savoir les relations spatiales entre des caractéristiques visuelles, les modèles graphiques ainsi que les hiérarchies de cellules complexes. Le résultat de cette association prend la forme d'une hiérarchie de classes de caractéristiques visuelles. Son principal intérêt est de fournir un modèle représentant, à la fois, les aspects visuels locaux et globaux, en utilisant la structure géométrique et l'apparence des objets. L'exploitation des modèles graphiques offre un cadre probabiliste pour la représentation des hiérarchies et leur utilisation pour l'inférence. Un algorithme d'échange de messages récemment proposé (NBP) est utilisé pour inférer la position des caractéristiques dans les images. Lors de l'apprentissage, les hiérarchies sont construites de manière incrémentale en partant des caractéristiques de bas-niveaux. L'algorithme est basé sur l'analyse des co-occurrences. Il permet d'estimer la structure et les paramètres des hiérarchies. Les performances offertes par ce nouveau système sont évaluées sur différentes bases de données d'objets de difficulté croissante. Par ailleurs, un survol de l'état de l'art concernant les méthodes de reconnaissances d'objets et les détecteurs de caractéristiques offre une vue globale du domaine.