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Les Procellariiformes sont des oiseaux marins présentant des caractéristiques les rendant particulièrement attractifs pour la recherche. Ces oiseaux constituent le groupe d'oiseaux marins le plus diversifié et probablement le plus menacé, 44.7% des espèces de Procellariiformes étant classées Vulnérables ou En Danger d'Extinction par l'UICN. Comme d'autres oiseaux marins, les Procellariiformes constituent des modèles fascinants pour l'étude des patrons de différentiation des populations et des espèces puisqu'étant confrontés à l'action de forces évolutives opposées : d'un côté leur extrême mobilité leur permet de disperser très loin, ce qui est supposé permettre et augmenter le flux de gènes entre populations et donc atténuer la différentiation des populations ; de l'autre côté, étant extrêmement philopatriques ils reviennent généralement se reproduire dans leur colonie de naissance, une caractéristique censée promouvoir la différentiation des populations. Ajoutées au fait qu'ils vivent dans l'océan, ces caractéristiques les rendent particulièrement intéressants pour étudier les processus de différentiation en l'absence de barrières physiques aux flux de gènes. Par ailleurs, la taxonomie et les relations phylogénétiques chez les Procellariiformes sont complexes et mal établies, entre autres en raison de l'action opposée des forces évolutives citées précédemment. Les limites d'espèces et la taxonomie de cet ordre ont donc continuellement changé au fil des années. Au cours des 20 dernières années, les développements observés dans le domaine de la biologie moléculaire ont fournis des outils de plus en plus puissants pour élucider certaines incertitudes phylogénétiques, comprendre les patrons phylogéographiques observés et avoir une meilleure compréhension des processus promouvant la différentiation des populations chez ces oiseaux. Ces outils permettent aussi de mieux comprendre la structuration des populations et les relations entre ces dernières ce qui peut grandement aider à la définition des actions de conservation entreprises pour ces organismes et à leur ordre de priorité. Dans cette thèse, à l'aide d'outils de biologie moléculaire, j'ai étudié les relations phylogénétiques et la phylogéographie de plusieurs taxons de la famille des Procellariidae, la plus riche en espèce chez les Procellariiformes. Cette étude à portée sur deux niveaux taxonomiques : premièrement, au niveau générique, cette étude décrit les relations phylogénétiques du genre Pseudobulweria, probablement le genre d'oiseaux marins le plus menacé au monde ; deuxièmement, au niveau du taxon et des populations l'accent a été porté sur les ptérodromes de Macaronésie et sur le pétrel de Gould, en particulier concernant les relations entre ses sous-espèces australiennes et néo-calédoniennes. L'utilisation d'analyses multilocus pour chacune de ces investigations a permis d'améliorer notre compréhension et connaissances des ces taxons : chez Pseudobulweria la construction d'un " arbre d'espèce " a permis de définir les relations phylogénétiques au sein du genre et de résoudre la question du statut taxonomique du pétrel de Beck ; chez les ptérodromes de Macaronésie, j'ai montré que la séparation des trois taxons est beaucoup plus récente que précédemment estimée et que ces populations doivent être considérées comme des Unités Evolutives Significatives ; chez le pétrel de Gould, cette étude a montré que les deux sous espèces ne sont pas différenciées génétiquement et que ces deux lignées ne sont pas séparées. L'ensemble de ces résultats obtenus par l'utilisation de plusieurs gènes nucléaires en plus de gènes mitochondriaux souligne l'importance de ce type d'approche pour l'étude des patrons phylogénétiques et phylogéographiques pour les comprendre dans toute leur complexité.