胆汁中的主要成分为胆盐，胆固醇及磷脂胆红素等，胆汁中的胆固醇，胆汁酸与磷脂的含量比例对于维持胆固醇的溶解状态十分重要，当胆固醇分泌量增加，胆盐的分泌量减少，这3种异常单独或在一起存在时都可导致生石胆汁分泌量增加，都可使胆固醇成为过饱和状态，1954年Isaksson等人提出胆盐及卵磷脂所形成的胶粒维持胆固醇在胆汁中的溶解作用，但近晚期发现尚有一种胆固醇载体及磷脂大泡，大泡主要由磷脂与胆固醇组成，存在于所有胆汁中，通常在大泡内胆固醇与磷脂的克分子比为1∶1可达到5∶2，而在微胶粒中胆固醇与磷脂比为1∶2～1∶5，大泡较微胶粒能更多地携带胆固醇，在胆固醇与磷脂比例升高时，如在大泡中比例为3∶2，微胶粒中比例为1∶3时，就超过携带能力达到亚稳态界限浓度，胆固醇就有沉淀倾向。
结石形成的第一步为成核，就是胆固醇分子聚合成一个相当大小的固体实块，一旦这个实块和核心形成后，就可以出现胆固醇晶体生长，然后更多的分子沉积于晶体裂隙中，形成结石，目前这个假说已得到大多数学者的承认与赞同，此外尚有学者认为，正常人和胆石患者的胆汁中都存在着成核因子与成核抑制因子，能否成核，取决于二者之间的比例关系，若比例关系失调，成核因子占主导地位时即可促进核的发生，反之则不能成核，正常胆汁成核时间长而胆石病患者的胆汁成核时间很短，提示在胆汁中存在胆固醇沉淀的因子，另一方面在实验模型系统中胆固醇沉淀较含有同样类脂成分的胆汁中的胆固醇沉淀快得多，表明胆汁中含有抗成核因子。
胆囊有浓缩，储存和排泄胆汁的作用，如这些功能出现异常则又促成胆石形成的作用，尤其是胆囊内胆固醇结石的形成与胆囊功能障碍密切相关，正常胆囊黏膜有分泌H+水和电解质作用，此作用可以酸化胆汁，降低胆汁pH值，减少胆囊内钙离子发生沉淀及稀释胆汁，加速排出胆囊内的胆泥，当胆汁在胆囊中浓缩而使黏稠度升高，饥饿状态胆汁排空减少而有胆汁储留，机械及炎症刺激使胆汁淤积，而使上述作用减弱时，可导致胆石的生成，此外当胆囊的收缩功能减低时，胆囊的排空功能障碍时有利于胆石在胆囊内形成，迄今为止认为影响胆囊收缩功能障碍的因素有：
①持续全胃肠道外营养6周以上者，腹部大手术后需长时间禁食者，内源性CCK(胆囊收缩素)减少，导致胆囊收缩功能减弱。
②胃大部切除后，高位迷走神经切断术后。
③肽类激素如肠血管多肽，生长抑素及胰多肽等都可抑制CCK。
④性激素，雌孕激素水平高时，及口服避孕药时均可使胆囊松弛而排空不全，增加结石形成危险因素。
⑤前列腺素，可使胆囊收缩减弱，阿司匹林已经动物实验证明，因可抑制合成前列腺素所需某些化合物而有预防结石形成的作用，⑥其他因素如糖尿病，肝硬化以及过度肥胖均可使胆囊收缩作用减弱。
哺乳动物的胆汁内及胆道感染产生的葡萄糖醛酸酶可将结合胆红素水解为非结合胆红素，非结合胆红素与钙离子结合可形成胆红素而发生沉淀，沉淀聚集在一起形成胆色素钙结石，胆红素钙的形成与胆道感染，细菌或寄生虫感染，虫卵，残留缝线关系密切，炎症脱落的上皮，细菌，蛔虫虫体及虫卵常构成胆石的核心，尤其是胆道蛔虫，是我国胆石病的主要病因，此外慢性溶血性贫血及肝硬化时因红细胞破坏过多而引起胆汁中非结合胆红素含量增多，易形成黑色素性结石。
胆石的形成还与性别，环境，土壤，饮食习惯，家族，种族，遗传因素有关。我国既往是以胆色素结石和混合性结石最多见，但随着生活水平的提高，饮食习惯的改变，近年来胆固醇结石的发病率明显增加。
发病机制
在正常生理状态下，胆石中的主要成分胆固醇和胆红素均是胆汁中的溶质并随胆汁运输，研究表明，大部分不溶于水的胆固醇可通过微胶粒(micelle)形式和囊泡(vesicle)形式“溶解”于胆汁溶液中，胆固醇，胆盐和磷脂按一定比例组合即可形成直径为50～60A的微胶粒，因亲水基团排列在表面，故可将胆固醇“溶解”于胆汁中，胆固醇，胆盐和磷脂三者的比例失调即可使胆固醇析出结晶，囊泡是由磷脂和胆固醇构成，较微胶粒大10～20倍的单层，空心，球形结构，溶于微胶粒和囊泡的胆固醇能够互相转变并处于动态平衡中，总之，胆固醇结石的形成是以胆固醇自身的过饱和，结晶析出，沉淀成核作为基础，而胆汁淤滞，胆囊排空障碍则以动力学角度为沉淀物提供了聚集，增长成石的条件，胆汁中胆红素约99%是与葡萄糖醛酸结合，只有1%为非结合胆红素且不溶于水，当有钙离子存在时很容易生成胆红素钙沉淀，正常生理状态下，胆盐使非结合胆红素离子化，避免与钙接触，另外胆盐还可与钙结合降低游离钙浓度，在病理状态下，非结合胆红素比例增加或胆盐不足，均可产生胆红素沉淀，成为胆色素结石的基础。
