The NAMDIATREAM FP7 program founded by the European Commission (acronym for Nanotechnological toolkits for multi-modal disease diagnostics and treatment monitoring) aims to develop tools based on nanotechnology to enable early detection and imaging of breast, lung and prostate cancers. This thesis reports on the use of hamonic nanoparticles (HNPs) as non-linear labels for multiphoton microscopy. HNPs are inorganic non-centrosymmetric nanoparticles (NPs) generating a second harmonic signal at any femtosecond excitation wavelength within their transparency range. They display a photostable signal and exert an excellent optical contrast with respect to a standard fluorescent cell dye under normal imaging conditions. The optical properties and biocompatibility of six different HNPs are evaluated to identify the best candidate for biological applications.Then HNPs are used for the first time as exogenous optical contrast agents for the study of the differentiation of embryonic stem cells in vitro. Finally, we propose an original approach to cancer theranostics based on the nonlinear optical properties of HNPs. Le projet européen FP7 NAMDIATREAM a pour objectif le développement de nouveaux outils de détection précoce du cancer du sein, du poumon et de la prostate basés sur les nanotechnologies. Cette thèse décrit l'utilisation de nanoparticules harmoniques (HNPs) en tant que marqueurs pour la microscopie à excitation multiphotonique. Les HNPs sont des nanoparticules inorganiques noncentrosymétriques qui génèrent un signal de seconde harmonique à n'importe quelle longueur d'onde d'excitation comprise dans leur plage de transparence. Elles émettent un signal photostable et exercent un excellent contraste optique par rapport à un marqueur cellulaire fluorescent sous des conditions d'imagerie normales. Les propriétés optiques et la bio-compatibilité de six différentes nanoparticules harmoniques seront évaluées pour identifier le meilleur candidat pour les applications biologiques. Puis les HNPs sont utilisées pour la première fois comme agent de contraste exogène pour l'étude de la différentiation in vitro de cellules souches embryonnaires. Finalement, nous proposons une aproche originale de théragnostic du cancer basée sur les propriétés non-linéaires des HNPs.