胶结作用（cementation）是指从孔隙溶液中沉淀出的矿物质（即胶结物）将松散的沉积物粘结成为沉积岩的过程。对于砾、砂和粉砂等碎屑沉积物，压实作用只能引起孔隙度降低和强度增加，但不能使其固结成岩，必须通过沉淀在颗粒孔隙内的化学或生物化学成因的矿物质的胶结作用，才能固结成岩。胶结物可以充填于岩石的部分空隙，也可以填满全部空隙。
胶结物的矿物成分种类很多，常见的有钙质（CaCO3）、硅质（SiO2）及铁质（Fe2O3）等。钙质和硅质胶结物的来源是多种多样的，有的是从与沉积环境有关的同生饱和溶液中沉淀的，也有在成岩过程中由沉积物中各种物质的溶解（包括生物骨壳和矿物颗粒的溶解）形成的饱和溶液中再沉淀的，还有由沉积物埋藏后从外部带入的流经沉积物的饱和溶液中沉淀的。如果沉积物的孔隙是封闭的，那么由过饱和的孔隙溶液中能沉淀的物质是很少量的。假定要把一个单位体积的孔隙用方解石胶结物来填满，就需要5400个单位体积的过饱和溶液。因此，形成充填孔隙的胶结物必须在沉积物中保持长期水循环并且有过饱和溶液的稳定供给。铁质胶结物主要是赤铁矿，其形成方式一种是沉积物中的非晶质氢氧化铁在成岩过程中转变为晶质的赤铁矿；另一种是含铁矿物如角闪石、黑云母等，在成岩过程中受到含氧孔隙水的分解而形成的。
砾岩、砂岩和粉砂岩等粗碎屑岩的形成主要靠胶结作用。对于碳酸盐沉积物，往往在还没有被埋藏时就已经发生强烈的胶结作用。
（三）重结晶作用
重结晶作用（recrystallization）是指在压力增大、温度升高的情况下，沉积物中的矿物组分部分发生溶解和再结晶，使非晶质变为结晶质，细粒晶变为粗粒晶，从而使沉积物固结成岩的过程。如细晶方解石转变为粗晶方解石，隐晶或微晶高岭石转变为鳞片状结晶高岭石。沉积物中的胶结物发生重结晶作用后，可以形成颗粒细小的矿物，使颗粒间胶结得更紧，岩石变得更坚硬。重结晶前后，矿物的晶形、大小和排列方式发生改变，但化学成分不变。
重结晶作用的强弱，与矿物成分、颗粒大小等因素有关。易溶的矿物成分（如碳酸盐类）比较容易发生重结晶作用。一般颗粒越小，越容易被溶解，被溶解的成分容易沿较大颗粒重新结晶，从而使大颗粒的矿物增多、增大。碳酸钙很容易重结晶而变成较粗大的方解石晶体。重结晶作用在化学岩、生物岩及生物化学岩的形成过程中起着重要的作用。