Cette thèse documente les processus physiques impliqués dans l’ouverture puis le remplissage des cavités du Cerro Benítez (Patagonie chilienne) ayant aboutit au piégeage de sédiments riches en restes de mégafaune éteinte et en matériel archéologique d’âge pléistocène, au voisinage de la calotte de glace patagonne, lors de la dernière terminaison glaciaire. La cartographie des modelés glaciaires ainsi que la datation des surfaces d’exposition des blocs erratiques par 10Be cosmogénique produit in situ, associée à la modélisation chronologique par les statistiques bayésiennes, nous conduisent d’abord à proposer une chronologie absolue de la déglaciation et de la régression lacustre proglaciaire. La mise en évidence de surfaces d’aplanissement étagées enfouies dans les grottes, par la tomographie de résistivité électrique associée à la modélisation 3D des cavités, nous conduit ensuite à formuler un modèle de spéléogenèse glaciolacustre. Enfin, la stratigraphie comparée associée à l’analyse granulométrique, cristallographique, géochimique et micromorphologique des remplissages sédimentaires de neuf cavités, dont la fameuse Cueva del Milodón, révèle l’influence du substrat rocheux et des fluctuations climatiques de la dernière terminaison glaciaire sur la genèse des sédiments à mégafaune.