Comprendre la diversification du vivant nécessite des modèles robustes intégrant à la fois les données phylogénétiques et fossiles. Cependant, les modèles actuels présentent plusieurs limites notables, notamment des problèmes d'identifiabilité, des biais dans l'échantillonnage des fossiles et des contraintes computationnelles. Cette thèse vise à examiner ces limitations en détail et à proposer de nouveaux outils méthodologiques permettant d'explorer de manière plus fiable les processus ayant façonné l'histoire de la vie sur Terre. Un problème clé dans les analyses de diversification est l'absence d'identifiabilité, lorsque plusieurs histoires évolutives distinctes produisent des vraisemblances identiques à partir d'une phylogénie d'espèces actuelles. Pour y remédier, une nouvelle méthode est introduite, permettant d'explorer de manière flexible l'ensemble des histoires de diversification congruentes et de sélectionner les plus parcimonieuses. Cette approche valide également que l'inférence bayésienne avec des priors régularisants constitue un cadre robuste pour estimer la variation des taux de diversification. La deuxième partie de cette thèse introduit le modèle Occurrence Birth-Death Diffusion (OBDD), qui intègre les occurrences fossiles ne pouvant être placées dans les phylogénies, tout en estimant des taux de spéciation et d'extinction variant le long des lignées. Une inférence efficace est obtenue grâce à l'utilisation de techniques d'augmentation de données Bayésienne. L'application du modèle OBDD aux cétacés, un groupe présentant un riche registre fossile et une forte hétérogénéité des taux d'évolution, montre que l'exclusion des fossiles conduit à une sous-estimation de la diversité passée et des taux de diversification. Ces résultats soulignent l'importance des fossiles, y compris des occurrences fossiles, dans la reconstruction des trajectoires de richesse et des dynamiques d'extinction des clades étudiés. La troisième partie applique ces méthodes aux foraminifères planctoniques, un groupe de microorganismes marins possédant un registre fossile exceptionnellement complet ainsi que de riches données génétiques. Cette analyse commence par quantifier les facteurs géographiques, écologiques et géologiques influençant l'hétérogénéité de l'échantillonnage fossile, avant d'appliquer les outils développés dans cette thèse pour étudier les modèles de diversification de ce groupe. La discussion finale synthétise ces résultats et propose un cadre méthodologique pour l'étude de la diversification, conciliant flexibilité des modèles, efficacité computationnelle et quantification des incertitudes. Bien que ces avancées améliorent notre capacité à reconstruire les histoires évolutives, cette thèse souligne également les difficultés méthodologiques persistantes, notamment les compromis liés à la complexité des modèles, les limites de l'intégration des données fossiles et les exigences computationnelles des approches Bayésiennes. Ces considérations méthodologiques et les contributions de cette thèse dépassent le domaine de la biologie évolutive et présentent des applications potentielles en phylodynamique épidémiologique.