在正常生理狀態下，膽石中的主要成分膽固醇和膽紅素均是膽汁中的溶質并隨膽汁運輸。研究表明，大部分不溶于水的膽固醇可通過微膠粒(micelle)形式和囊泡(vesicle)形式“溶解”于膽汁溶液中。膽固醇、膽鹽和磷脂按一定比例組合即可形成直徑為50～60A的微膠粒。因親水基團排列在表面，故可將膽固醇“溶解”于膽汁中。膽固醇、膽鹽和磷脂三者的比例失調即可使膽固醇析出結晶。囊泡是由磷脂和膽固醇構成，較微膠粒大10～20倍的單層、空心、球形結構。溶于微膠粒和囊泡的膽固醇能夠互相轉變并處于動態平衡中。總之，膽固醇結石的形成是以膽固醇自身的過飽和、結晶析出、沉淀成核作為基礎，而膽汁淤滯、膽囊排空障礙則以動力學角度為沉淀物提供了聚集、增長成石的條件。膽汁中膽紅素約99%是與葡萄糖醛酸結合，只有1%為非結合膽紅素且不溶于水，當有鈣離子存在時很容易生成膽紅素鈣沉淀。正常生理狀態下，膽鹽使非結合膽紅素離子化，避免與鈣接觸，另外膽鹽還可與鈣結合降低游離鈣濃度。在病理狀態下，非結合膽紅素比例增加或膽鹽不足，均可產生膽紅素沉淀，成為膽色素結石的基礎。