在胆囊结石中，约70% ～ 80% 为胆固醇性结石，对其确切的形成机制至今尚未清楚，但目前大多数研究者认为可能与下列因素有关。
（1）胆汁中胆固醇过饱和形成“成石性胆汁”
“成石性胆汁”是1968 年Smiall 和Admirand 首先提出，他们应用物理、化学的互相平衡理论，将胆盐、卵磷脂和胆固醇三者的关系用一等边三角形表示，并通过模拟胆汁实验，在这个等边三角形内找到了胆汁胆固醇以“微胶粒”形式溶解的区域，在此区域内，胆汁中的“微胶粒”不足以使胆固醇全部溶解，胆汁呈过饱和状态，从而析出胆固醇结晶，即所谓“成石性胆汁”的区域。
但近年来研究表明：多数正常人胆囊胆汁为过饱和，而且肝胆汁的过饱和程度远比胆囊胆汁高，但并不形成胆固醇结石，并提出胆固醇过饱和指数并不能区分正常人和胆固醇结石患者的胆汁。近年研究也提出“成石性胆汁必须同时具备两个条件”：胆汁中胆固醇过饱和；胆汁中成核因子异常。而造成胆汁胆固醇过饱和，常由于胆汁酸盐分泌正常而胆固醇分泌过多，或由于胆固醇分泌正常而胆汁酸盐分泌过少所致。
（2）促成核因子的存在
近年研究发现，在新鲜肝胆汁和胆囊胆汁中有50 ～ 100nm 大小的颗粒结构，在不同的胆汁标本中这些颗粒大小基本相同，而这种颗粒要比混合的“微胶粒”的直径大10 ～ 20 倍，并且已证实这些颗粒是单层的脂质“泡”结构，而且测出“泡”的主要成分为胆固醇和卵磷脂，不含胆汁酸盐，证实了胆汁中“泡”是另一种胆固醇溶解转运的形式。
正常人的胆囊胆汁超速离心，2 小时后形成的“泡”数目较多，大小相等，散布均匀，这种状态可以持续稳定达168 小时之久，以后才发生“泡”的聚集融合和形成胆固醇单水结晶，而在胆固醇结石患者的胆囊胆汁经超速离心后的第2小时就开始发生聚集和融合，第4 ～ 6 小时就可见到聚集和融合的多层“泡”结构，在第8 小时即可找到典型的胆固醇单水结晶。
在胆固醇低程度的过饱和情况下由其他非脂类成分的固相物质引发溶解状态下的胆固醇自行析出形成结晶，在其形成过程中受成核因子的影响，按成核因子对成核的影响常分为两种，一种是抗成核因子，可延缓成核过程的发生；另一种是促成核因子，可促进成核过程的发生。
在正常情况下，胆囊胆汁中存在促/ 抗成核因子，并且两种因子力量相对平衡，在胆固醇结石的情况下，促成核的力量增加，使促/ 抗成核力量平衡破坏，则迅速发生成核过程，研究已证明：胆固醇结石患者中的胆囊胆汁中的糖蛋白组分，有明显缩短人工模拟胆汁的成核时间的作用，同时还发现胆囊黏蛋白和钙也有明显的促进成核作用，是胆汁中重要的促成核因子。
（3）胆囊功能的异常
①胆囊黏膜功能异常，正常情况下，胆囊黏膜可吸收水、电解质和有机物，同时分泌黏液，而在胆固醇结石最初的胆囊黏膜主要表现如下。
黏膜对水、电解质的吸收增加：提高了胆固醇的“微胶粒”溶解度，同时减少了磷脂胆固醇“泡”的稳定性，从而促使胆固醇成核。
胆固醇结石的核心常含有钙：正常胆囊黏膜能吸收50% 的胆汁钙，从而降低胆汁游离钙的浓度，而且胆囊黏膜还分泌氢离子以酸化胆汁，增加游离钙的溶解度，当黏膜吸收和分泌功能改变，可使胆汁中钙过饱和，产生钙盐沉淀。
胆囊黏膜分泌异常：分泌过量的黏蛋白。
②胆囊收缩功能异常，胆囊收缩功能减弱增加了胆汁在胆囊内滞留时间，就提供了形成胆固醇单水结晶的机会，对完全胃肠外营养的患者、胆囊、糖尿病患者、妊娠和使用生长抑素者，其结石的形成均与胆囊排空减弱有关。
③胆汁淤积和胆泥形成，由于胆囊收缩和排空胆汁的运动减弱，其结果使胆汁淤积在胆囊内胆固醇“泡”转化为胆固醇单水结晶，与胆红素钙离子黏蛋白组成胆泥。多数胆泥会消失，约15% 胆泥继续发展为胆石。