Dans cette these, nous explorons la phenomenologie de certaines extensions de la relativite generale et de la gravite quantique.Cette recherche est motivee par l'incompletude des modeles theoriques qui decrivent le comportement de la matiere aux echelles cosmologiques.Le model standard de la physique des particules et la relativite generale, combines ensemble et avec les donnees experimentales provenant des collisionneurs de particules et de l'astrophysique, conduisent a des modeles d'univers domines par de la matiere invisible. De plus, selon le meilleur de ces modeles, l'univers serait presentement dans une phase d'expansion acceleree et aurait commencer son existence par une singularite spatio-temporelle: le big bang.Ainsi, la physique theorique se trouve mise au defi d'obtenir un model sans singularites et avec moins (ou aucune) matiere sombre. Sur ce point, les deux dernieres decennies ont etes particulierement fructueuse: il y a maintenant un grand nombre de theories de gravite modifiee, d'energie sombre et de gravite quantique qui sont a notre disposition.L'objectif du present travail est de construire un cadre phenomenologique nous permettant de comparer clairement ces theories les unes aux autres et possiblement d'en refuter certaines en se basant sur les recentes observations cosmologiques ainsi que celles qui sont encore a venir.La premiere partie de la these est dediee aux theories de gravite modifiee et d'energie sombre. La deuxieme partie traite de la cosmologie quantique a boucles, et finalement la derniere partie presente une nouvelle facon de sonder l'expansion acceleree de l'univers via l'effet Sunyeav Zeldovich thermique. (auteur)