Cartographier les lithologies et structures d’un substratum profond est un élément clé pour l’exploration des ressources (minérales, géothermie, stockage…) et à la connaissance géologique à l’échelle régionale. Le bassin parisien est un bassin sédimentaire intra-cratonique Méso-Cénozoïque qui repose en discordance sur un substratum Varisque. Dans sa partie sud, les témoins de ce substratum affleurent au sein du Massif Armoricain et du Massif Central. Ces massifs sont composés d’unités géologiques distinctes, séparées par des cisaillements d’échelle crustale. Bien que de nombreuses études aient déjà démontré les relations structurales et lithologiques entre ces deux massifs, la continuité des grands accidents armoricains ainsi que les géométries sous la couverture sédimentaire du bassin parisien restent encore en débat. Les méthodes potentielles (aéromagnétisme et gravimétrie) constituent des outils efficaces pour la cartographie des interfaces bassin/substratum. Cependant, l’interprétation de ces données, pour être fiable, nécessite une bonne caractérisation pétrophysique des roches. C’est pourquoi nous proposons une méthodologie basée sur l’interprétation des données géophysiques couplées aux mesures pétrophysiques (densités et susceptibilités magnétiques) mesurées sur le terrain ou sur échantillons en laboratoire qui consiste en : i) l’élaboration d’une carte de signatures géophysiques du substratum basée sur la classification statistique des données aéromagnétiques et gravimétriques, ii) l’extension des unités géologiques sous couverture, iii) l’assignation d’une lithologie au sein de chaque unité géologique selon les caractéristiques pétrophysiques des roches et la signature géophysique du susbstratum. Nous la mettons en œuvre dans le sud-ouest du bassin parisien où nous proposons une cartographie structurale et lithologique détaillée de son substratum pré-Mésozoïque. Cette cartographie est étayée par une modélisation géophysique 2D, combinant les données magnétiques et gravimétriques, permettant d’enrichir encore la cartographie des géométries du substratum sous couverture. Ces interprétations révèlent : i) la limitation est du domaine Centre Armoricain, ii) l’extension à l’est, de la faille de Cholet qui délimite la partie sud de la nappe des Mauges, iii) le prolongement de la faille de Nort-sur-Erdre connue comme la trace de la suture éo-Varisque, bordée par des roches basiques et iv) l’omniprésence des failles de direction N150°E contrôlant entre autre, la géométrie des bassins Permo-Carbonifères sous couverture. La méthodologie présentée ici, pourra être appliquée à la cartographie de substratum enfouis d’autres bassins sédimentaires, comme par exemple, l’extension des structures pyrénéennes sous le Bassin d’Aquitaine.