Pour des intensités de champ électrique suffisantes, des études expérimentales réalisées in vitro ont montré que les effets biologiques des impulsions microsecondes sont localisés à la membrane externe, tandis que ceux des impulsions nanosecondes se manifestent à la fois à la membrane externe et aux membranes intracellulaires. Les mécanismes bio-physiques à l’origine des effets observés ne sont toutefois pas encore élucidés. Des études numériques ont par ailleurs suggéré qu’en diminuant la durée des impulsions au régime subnanoseconde, il deviendrait possible d’induire des effets biologiques à l’intérieur même des organelles intracellulaires. Dans cette thèse, nous proposons et étudions un système d’exposition ainsi que des techniques de dosimétrie expérimentale et numérique en vue d’explorer in vitro les effets biologiques d’intenses champs électriques pulsés nanosecondes et subnanosecondes. Nous montrons la capacité d’un générateur innovant, basé sur une structure coaxiale, à fournir les impulsions de tension requises. Nous proposons ensuite des cellules transverses électromagnétiques pour délivrer les impulsions à des cellules biologiques contenues dans une boîte en plastique. Pour la macrodosimétrie à l’intérieur des échantillons, un prototype de sonde électro-optique est caractérisé puis mis à profit. Nous montrons également que le système d’exposition étudié est adapté pour des mesures de température intracellulaire par microfluorimétrie. Enfin, nous proposons et démontrons un outil numérique pour des études dosimétriques à l’échelle atomique. La méthode développée combine des résultats de dynamique moléculaire à un code de modélisation électrostatique implémentant la méthode des différences finies en trois dimensions.