La diagenèse est l'ensemble des processus qui interviennent dans la transformation des sédiments en roches sédimentaires; ils peuvent débuter sur le fond (si sédimentation aquatique), la diagenèse est dite précoce ou se poursuivre quand ils sont enfouis sous d'autres sédiments, la diagenèse est dite tardive.
Ces processus sont de nature différente :
— processus physique: comme par exemple l'érosion, l'hydrodynamisme...
— processus biochimique: dû à l'activité des êtres vivants (bactéries dans les zones superficielles puis macro et microbenthos dans les zones plus profondes notamment pour les sédiments déposés dans l'eau) qui rendent le milieu de plus en plus acide et réducteur ainsi le fer rouge en milieu oxydant devient-il vert en milieu réducteur,
— processus physico-chimique: perte d'eau, dissolution de certains minéraux, circulation de fluides interstitiels, précipitation ou cristallisation, épigénisation (transformation d'un minéral en un autre minéral de même composition chimique globale par réarrangement des réseaux cristallins; par exemple l'aragonite se transforme en calcite plus stable, la silice en opale ou en calcédoine) ou métasomatose (remplacement d'un minéral le carbonate de calcium par un autre minéral comme la pyrite de fer, pocessus qu'on retrouve dans les phénomènes de fossilisation des ammonites pyriteuses par exemple)...

On peut distinguer différentes phases dans la transformation des sédiments en roche:
— la compaction: sous l'action des êtres vivants, de la pédogénèse, de la deshydratation, de la pression, les sédiments perdent de l'eau et des sels minéraux par dissolution, leur densité augmente. C'est le cas de la silice ou du carbonate de calcium.
— la cimentation: progressivement les grains se soudent sous l'action des sels qui circulent avec des fluides saturés et précipitent; les sables donnent des grès et les boues des argiles, des pélites ou des marnes,
— la recristallisation : au cours de l'enfouissement sous d'autres sédiments, la pression et la température augmentent favorisant la dissolution de minéraux qui recristalliseront à la faveur de nouvelles conditions du milieu (concrétionnement carbonatés dans des sédiments détritiques, ainsi dans les grès rouges on observe fréquemment la présence de carbonates continentaux) formant des sphérolites, nodules, géodes ou septaria dans les grès permiens)
— l'épigénisation (voir ci-dessus)