Les travaux de modélisation et de simulation qui sont synthétisés dans ce manuscrit abordent trois aspects très pluridisciplinaires de l'interaction des ions de hautes énergies avec la matière: physique, radiobiologie et informatique. Le premier volet se concentre sur des aspects de physique fondamentale. Il vise à décrire et à quantifier les mécanismes d'interaction d'un ion avec un matériau et les modifications de structure qui résulte de cette interaction.Les deux autres volets de ce manuscrit sont orientés vers l'amélioration des traitements du cancer par faisceau d'ions légers (Hadronthérapie). L'objectif est de mieux simuler la dose physique et la dose biologique déposées dans les organes par les faisceaux d'ions. Alors que la dose physique traduit les transferts d'énergie entre l'ion et les tissus, la dose biologique représente les effets biologiques induits. Cette dernière ne peut se déduire simplement de la dose physique et doit être modélisée. Le volet radiobiologie du manuscrit rassemble mes travaux de modélisation descriptive et prédictive des effets radiobiologiques des ions. Une évaluation expérimentale des modèles prédictifs y est également présentée. Quelque soit le raffinement apporté à la modélisation de la dose physique et de la dose biologique, si le mouvement des organes n'est pas intégré, les calculs dosimétriques seront inappropriés. Les systèmes de contention permettent de réduire certains mouvements externes (tête, cou, membres…), mais pas les mouvements internes. Le dernier volet de ce manuscrit, le volet informatique, présente mes travaux de modélisation des mouvements internes des organes, notamment les mouvements respiratoires. Ces modèles ont été construits de telle sorte qu'ils puissent intégrer les spécificités du transport des ions dans la matière