Diagenese is een proces dat zorgt dat gesteente minerale veranderingen ondergaat nadat het is afgezet. Diagenese vindt plaats bij relatief lage temperatuur en druk. Het gesteente hoeft hiervoor dus niet diep begraven te zijn in de aardkorst. Als het gesteente veranderd doordat het aan een hoge temperatuur en druk wordt blootgesteld is er sprake van metamorfose. Of er diagenese plaatsvindt, en in welke mate hangt sterk af van de samenstelling van het gesteente en de chemische samenstelling van het grondwater. Als er zeer oplosbare mineralen in een gesteente aanwezig zijn zoals in kalksteen of evaporiet, dan zal er veel eerder diagenese plaatsvinden.

Een voorbeeld van diagenese is cementatie. Hierbij slaan opgeloste mineralen uit het grondwater neer in het gesteente. Dit kan ook onderzee plaatsvinden. De dichtheid van het gesteente neemt hierbij toe, en de porositeit neemt af. Het gesteente gaat hierbij ook meer een vast geheel vormen.

Een andere vorm van diagenese is compactie. Door het gewicht van bovenliggende pakketten sediment wordt de afzetting samengedrukt. Ook kan er drukoplossing plaatsvinden doordat korrels waar de meeste druk op staan eerder kunnen oplossen in het grondwater. De opgeloste mineralen slaan vervolgens weer neer in de poriën. De dichtheid neemt hiermee verder toe.

Een derde vorm van diagenese is uitloging. Door bepaalde chemische samenstelling van grondwater kunnen ook mineralen uit een afzetting oplossen en met grondwaterstromingen verdwijnen uit de afzetting.

In kalkhoudende fossielen kan door diagenetische processen rekristallisatie optreden waarbij het fossiel wordt omgezet naar meer stabiele vormen van kalk. Bijvoorbeeld omzetting van aragoniet naar calciet. Fossielen (vooral die van aragoniet) kunnen ook geheel oplossen. Als later door diagenese de holte weer wordt opgevuld door een ander mineraal kunnen steenkernen ontstaan. Kalksteen wordt soms ook door diagenese omgezet in dolomiet. Fossielen gaan hierbij vaak verloren of worden aangetast.

Diagenese speelt ook een rol bij de verandering van organische stoffen in sedimenten. Denk bijvoorbeeld aan de vorming van steenkool, olie en gas.