Les travaux décrits dans ce mémoire concernent l'estimation d'état, le diagnostic et la commande tolérante aux défauts de systèmes complexes représentés par des modèles non linéaires. La complexité peut venir de la nature des équations du modèle (différentielles, non linéaires, etc), de l'imprécision affectant ces relations (paramètres ou signaux d'entrée imparfaitement connus, voire inconnus) ou de la présence simultanée d'équations de natures différentes. Les classes de modèles étudiées sont celles des multimodèles de Takagi-Sugeno (T-S) et des modèles singuliers T-S ou à commutations. Ils permettent de prendre en compte des non-linéarités, des échelles de temps multiples, la co-existence de phénomènes discrets et continus. Concernant les multimodèles T-S, décrits par l'interpolation entre un ensemble de systèmes linéaires, une attention particulière est portée au cas où les fonctions d'interpolation dépendent des variables d'état. Différents algorithmes de synthèse d'observateurs d'état sont exposés et ensuite utilisés pour le diagnostic par estimation directe des défauts ou par génération et structuration de résidus. L'estimation d'état et de défaut est mise-à-profit pour la synthèse de lois de commande tolérantes aux défauts et aux saturations d'actionneurs. Dans le cas des systèmes singuliers non-linéaires, les problèmes d'estimation d'état et d'entrées inconnues sont également traités.