La recherche d'informations s'intéresse, entre autres, à répondre à des questions comme: est-ce qu'un document est pertinent à une requête ? Est-ce que deux requêtes ou deux documents sont similaires ? Comment la similarité entre deux requêtes ou documents peut être utilisée pour améliorer l'estimation de la pertinence ? Pour donner réponse à ces questions, il est nécessaire d'associer chaque document et requête à des représentations interprétables par ordinateur. Une fois ces représentations estimées, la similarité peut correspondre, par exemple, à une distance ou une divergence qui opère dans l'espace de représentation. On admet généralement que la qualité d'une représentation a un impact direct sur l'erreur d'estimation par rapport à la vraie pertinence, jugée par un humain. Estimer de bonnes représentations des documents et des requêtes a longtemps été un problème central de la recherche d'informations. Le but de cette thèse est de proposer des nouvelles méthodes pour estimer les représentations des documents et des requêtes, la relation de pertinence entre eux et ainsi modestement avancer l'état de l'art du domaine. Nous présentons quatre articles publiés dans des conférences internationales et un article publié dans un forum d'évaluation. Les deux premiers articles concernent des méthodes qui créent l'espace de représentation selon une connaissance à priori sur les caractéristiques qui sont importantes pour la tâche à accomplir. Ceux-ci nous amènent à présenter un nouveau modèle de recherche d'informations qui diffère des modèles existants sur le plan théorique et de l'efficacité expérimentale. Les deux derniers articles marquent un changement fondamental dans l'approche de construction des représentations. Ils bénéficient notamment de l'intérêt de recherche dont les techniques d'apprentissage profond par réseaux de neurones, ou deep learning, ont fait récemment l'objet. Ces modèles d'apprentissage élicitent automatiquement les caractéristiques importantes pour la tâche demandée à partir d'une quantité importante de données. Nous nous intéressons à la modélisation des relations sémantiques entre documents et requêtes ainsi qu'entre deux ou plusieurs requêtes. Ces derniers articles marquent les premières applications de l'apprentissage de représentations par réseaux de neurones à la recherche d'informations. Les modèles proposés ont aussi produit une performance améliorée sur des collections de test standard. Nos travaux nous mènent à la conclusion générale suivante: la performance en recherche d'informations pourrait drastiquement être améliorée en se basant sur les approches d'apprentissage de représentations.Information retrieval is generally concerned with answering questions such as: is this document relevant to this query? How similar are two queries or two documents? How query and document similarity can be used to enhance relevance estimation? In order to answer these questions, it is necessary to access computational representations of documents and queries. For example, similarities between documents and queries may correspond to a distance or a divergence defined on the representation space. It is generally assumed that the quality of the representation has a direct impact on the bias with respect to the true similarity, estimated by means of human intervention. Building useful representations for documents and queries has always been central to information retrieval research. The goal of this thesis is to provide new ways of estimating such representations and the relevance relationship between them. We present four articles that have been published in international conferences and one published in an information retrieval evaluation forum. The first two articles can be categorized as feature engineering approaches, which transduce a priori knowledge about the domain into the features of the representation. We present a novel retrieval model that compares favorably to existing models in terms of both theoretical originality and experimental effectiveness. The remaining two articles mark a significant change in our vision and originate from the widespread interest in deep learning research that took place during the time they were written. Therefore, they naturally belong to the category of representation learning approaches, also known as feature learning. Differently from previous approaches, the learning model discovers alone the most important features for the task at hand, given a considerable amount of labeled data. We propose to model the semantic relationships between documents and queries and between queries themselves. The models presented have also shown improved effectiveness on standard test collections. These last articles are amongst the first applications of representation learning with neural networks for information retrieval. This series of research leads to the following observation: future improvements of information retrieval effectiveness has to rely on representation learning techniques instead of manually defining the representation space.