形成膽石的原素繁多，絕大多數膽石不是以膽固醇含量為主，就是以膽紅素的含量增多。之所以形成結石，最基本的一條，就是膽固醇在膽汁中呈飽和甚至過飽和狀態，或是非結合膽紅素在膽汁中相對增多，然後才發生一系列膽石形成的過程。如果膽汁中膽固醇的含量沒有達到飽和狀態，或者膽汁中都是水溶性的結合膽紅素，就不存在發生膽石的問題。此外，還有碳酸鈣結石,和以多糖或蛋白為主的結石，但畢竟罕見，故對其機理不詳述。
(1)膽固醇的含量增加 膽固醇在膽汁中過飽和是膽固醇發生結晶和沉澱的前提，而膽固醇的溶解取決于膽鹽和卵磷脂的相對濃度。1968年，Admirand和Small用三角座標來闡明膽鹽、卵磷脂和膽固醇三者的關係。
膽固醇的含量絕對增高，首先是膽固醇轉變為膽汁酸的代謝障礙，涉及到肝內 的作用，包括7a一羥化 、側鏈氧化 、甲戌二 輔 A還原 的活性增加時，則肝內合成膽固醇的量增多。此外，年齡、性別、飲食和體質，也是使膽固醇含量絕對增加的原因。膽汁酸的排泌減少，膽囊對膽鹽和卵磷脂的吸收，以及由膽道梗阻引起的膽汁淤滯，都可以導致膽固醇的含量相對增加。腸肝循環發生障礙伊芳始，往往為膽石形成的開端。
(2)非結合膽紅素的含量 增加在正常情況下，膽汁中來自組織的內源性葡萄醛酸苷酶的活性很低，而且存在著對此酶的抑製物一葡萄糖二酸l、4一內脂(glucaro─l，4─ lactone)，故從肝臟分泌出來的結合膽紅素並不容易被水解。但在發生感染以後，細菌產生大量的B葡萄糖醛酸 ，而且活性很高，超出了葡萄糖二酸 1、4一內酯的抑制作用，從而產生大量非結合膽紅素，與鈣離子結合成膽紅素鈣，沈澱而形成結石。我們的試驗結果表明，葡萄糖醛酸 的活性與非結合膽紅素的產生關係密切；但B葡萄糖醛酸 的活性，並非是促使結合膽紅素水解的唯一原素。
(3)核心作用寄生蟲、異物、細菌炎性細胞、脫落的上皮、黏液以及與鈣離子形成的複合物都可以形成核心，然後膽汁中的固體成分圍繞著此核心沈澱下來。國內學人在家兔的膽囊中，塞入一塊無菌橡皮，9～11個月后再剖腹時發現圍繞著橡皮或脫落的絲線有黑色顆粒聚積，說明異物在膽石形成中確能起核心作用。蛔虫的角度和虫卵構成膽石的核心，在我國已為諸多學人發現,成為公認的事實。用顯微鏡或電鏡觀察核心的架構，往往與外層的物質不同。
(4)凝聚作用在膽石的化學分析中，除膽固醇、膽紅素和礦物質以外，有相當多的糖蛋白成分，尤其是以膽紅素為主的結石，幾乎接近一半左右為不能被一般溶劑所溶解的物質。通過聚丙烯酰胺凝膠電泳，發現既能被馬斯亮藍染色，又能被高碘酸 Schiff氏染色法( Periodic acidSchiff’s method簡稱PAS)染色的糖蛋白，其切片上的分布與膽紅素所處的位置完全相同。Womack等在動物試驗中觀察到，膽石形成之前，先有糖蛋白的分泌增加。Freston在電鏡下觀察到，此時膽道上皮的黏液分泌增強。組織化學研究表明，糖蛋白在膽石中形成構架，將膽紅素和膽固醇等顆粒凝集在一起。諸多作者還從膽紅素結石病患的膽汁中分離出正常人膽汁中所沒有的硫酸糖蛋白，具有很強的凝集作用，並認為硫酸糖蛋白的產生與大腸杆菌感染有關。我們的試驗表明，膽汁保溫沈澱中的糖蛋白和膽紅素量以及沈澱壓積，三者與保溫前膽汁中糖蛋白的含量呈正相關，提示糖蛋白含量較高的膽汁具有較強的致石性，膽紅素結石體積的大小可能取決于膽石中糖蛋白的含量。
(5)全屬離子的作用不少作者認為鈣鹽是膽石形成的重要成分之一，在結石形成過程中還起核心作用。Bill用電鏡掃描研究膽石的架構，發現膽固醇結石的核心是纖維束環繞的膽紅素鈣。鈣鹽還可以磷酸鈣和碳酸鈣的形式出現。當膽石中鈣的含量大于4%，X線不能透過，稱X線陽性結石；小于4%時為X線陰性結石。Maki認為膽色素結石中的膽紅素是以其羥基與鈣離子結合成鈣鹽。亦有些作者認為膽石中的膽紅素是與鈣等金屬離子所形成的結合高聚合物，膽紅素不僅能與鈣結合，還可能與鎂、鐵、銅……等金屬離子配位結合，而形成螫合高分子化合物。不少的報告說明，在膽道發生炎症和梗阻的情況下，膽汁中的鈣離子的濃度增高時，膽汁中的膽紅素和糖蛋白生成的沈澱也增多，提示膽紅素和糖蛋白之所以生成沈澱，可能是與鈣離子形成了難溶化合物的結果。糖蛋白可以在其鏈的羥基上與鈣離子結合，說明金屬離子除能與膽紅素結合形成難溶化合物以外，還能與膽汁中異常的糖蛋白結合而沈澱。故設法降低膽汁中的鈣等金屬離子的濃度，可能是預防和治療膽石的有效方法之一。
總之，膽石的形成，必須是膽汁中膽固醇或非結合膽紅素的含量增加，透過寄生蟲、脫落的上皮或炎性細胞等的核心作用；與此同時，糖蛋白的含量增加，且其凝聚作用加強，加上金屬離子的參與而形成一種難溶的化合物。具體過程尚待進一步深究。
