En a peine six ans, les ondes gravitationnelles nous ont deja beaucoup appris sur l'Univers. Elles nous ont offert de nouveaux tests de la relativite generale, et nous ont permis d'inferer pour la premiere fois la population de binaires compactes dans l'Univers. Ces detections ont aussi amene leur lot de nouvelles questions, et le futur de l'astronomie gravitationnelle s'annonce prometteur. Les detecteurs actuellement en marche verront leur sensibilite s'ameliorer au cours des prochaines annees, augmentant ainsi le nombre de detections et la precision avec laquelle nous mesurerons les parametres des sources. Par ailleurs, la prochaine generation de detecteurs est deja en preparation. Parmi eux, l'interferometre spatial LISA viendra complementer les detecteurs terrestres et nous permettra d'observer une nouvelle population d'objets compacts. Dans cette these, nous developpons des outils qui nous permettront d'exploiter au maximum le potentiel des futures observations d'ondes gravitationnelles, et explorons ce qu'elles pourraient nous enseigner sur l'astrophysique et la physique fondamentale, avec un focus sur LISA. Nous effectuons pour la premiere fois une analyse bayesienne complete sur des signaux simules de binaires de trous noirs de masse stellaire dans LISA. Notre travail nous a menes a determiner la precision avec laquelle les parametres de la source pourront etre mesures et a expliquer les correlations entre eux. Nous montrons egalement que de telles observations pourront etre utilisees pour sonder les modifications a basse frequence de la phase des ondes gravitationnelles dues a des ecarts par rapport a la relativite generale ou a des effets environnementaux. Ainsi, elles nous permettront de contraindre les theories de gravite modifiee et nous renseigneront sur l'environnement astrophysique des sources. Par ailleurs, nous proposons un modele phenomenologique pour le signal d'ondes gravitationnelles emis par des binaires constituees d'objets compacts exotiques. Nous l'utilisons pour montrer que les futurs detecteurs pourraient observer pratiquement toutes les binaires de ce genre dans l'Univers, mais que leur detection serait difficile avec les methodes de recherche de signaux actuellement utilisees. En astrophysique, nous proposons un modele semi-analytique pour l'evolution de binaires constituees d'un trou noir accretant la matiere d'une naine blanche, et nous montrons que son association avec les observations de LISA permettra de mesurer les masses des deux composants de la binaire ainsi que la distance a la source. Ces informations, qui ne sont generalement pas accessibles a partir d'observations d'ondes gravitationnelles de binaires galactiques, nous permettraient d'identifier les deux composants. Ainsi, LISA pourrait etre le premier instrument a apporter la preuve de l'existence de telles binaires. Enfin, nous proposons une methode pour inferer la population de binaires de trous noirs massifs a partir des observations de LISA, nous permettant ainsi de distinguer parmis differents scenarios pour la formation et l'evolution de trous noirs massifs. Notre methode s'appuie sur l'analyse bayesienne hierarchique afin de mesurer les hyperparametres controlant la population de binaires de trous noirs massifs, en confrontant la population observee aux previsions theoriques. Notre methode permettrait de deduire correctement la population de binaires de trous noirs massifs, mais seulement si les observations sont sufisamment similaires aux predictions du modele auquel nous les confrontons. Nous mettons en evidence des defis importants a relever dans les prochaines annees, tant du cote de l'analyse de donnees que du cote de la modelisation astrophysique. (auteur)