L’exploitation ferroviaire du réseau francilien est en pleine évolution. D’une part, avec l’obsolescence de ses équipements, de nouveaux systèmes de conduite et de régulation sont progressivement mis en place. D’autre part, avec la montée croissante du trafic de ces dernières années, les marges d’exploitation qui permettaient d’absorber les micros perturbations se retrouvent réduites de manière significative. La façon de penser et de définir les études qui mettent en place l’exploitation est donc impactée. Ce mémoire de thèse présente une approche qui vise à améliorer les études d’exploitation ferroviaire en prenant en compte les problématiques actuelles. Tout d’abord, à la suite d’une phase d’expression fonctionnelle menée au sein du département Maîtrise d’Ouvrage du Transport (MOT) de la Régie Autonome des Transports Parisiens (RATP), les différents besoins de modélisation et de simulation ont été regroupés. Puis, après une étude fonctionnelle des outils internes et externes à la RATP, un nouvel outil de simulation dynamique du trafic ferroviaire a été acquis. En s’appuyant notamment sur les possibilités de modélisation et de simulation apportées par cet outil, de nouvelles méthodologies d’études ont été développées afin de prendre en compte les nouveaux enjeux de l’exploitation ferroviaire et ce dans deux domaines : le dimensionnement de l’infrastructure et l’analyse du trafic. Un exemple d’application à la définition d’un nouveau réseau de transport combiné à l’étude de sa stabilité et de sa robustesse face à des perturbations types illustre les méthodologies mises en place et montre l’intérêt d’une étude complète afin de démontrer l’exploitabilité d’un projet de transport.