Diagenese, lang andauernder, bei zunehmendem Druck und steigender Temperatur ablaufender Gesteinsbildungsprozess in Ablagerungen (Sedimenten). Es werden Frühdiagenese und Spätdiagenese unterschieden. Während bei der Frühdiagenese Vorgänge zwischen der Sedimentation und der Materialverfestigung durch Porenzement ablaufen wie z. B. die Setzung und die Bildung von Konkretionen, werden bei der Spätdiagenese überaus komplizierte Umkristallisations- und Stoffaustauschprozesse eingeleitet die am Ende das Sediment in Gestein (z. B. Sand- oder Kalkstein) verwandeln und z. B. auch die vollständige Materialumwandlung von Fossilien bis in deren Molekularstrukturen zur Folge haben.

Setzung oder Sackung ist die Verdichtung der Ablagerungen durch das Eigengewicht der Partikel und durch die Last der überlagernden Schichten; dabei strömt das überschüssige Porenwasser (Wasser zwischen den Sedimentpartikel) nach oben ab. Gelöste Stoffe dieses ausgepressten Wassers verkitten in langen Zeiträumen als sog. »Porenzement« die zunächst lockeren Sedimentkörner zu festem Gestein. Bei starker Setzung können eingebettete Organismen flachgedrückt werden, falls sie nicht fest genug sind bzw. falls sich das Gestein nicht vorher verhärtet hat.

Konkretion bezeichnet eine unregelmäßige, knollige Verhärtung in meist weichen Gesteinen. Konkretionen entstehen zu Anfang der Diagenese, indem aus dem, aufgrund der Setzung, aufsteigenden Porenwasser Stoffe ausgefällt werden, die sich häufig auch um einen organ. Stoffrest ansammeln und diesen als Kern rundum einschließen. Solcherart eingeschlossene Fossilien sind i. d. R. besonders gut erhalten.

Ein Sonderfall der Diagenese ist die Inkohlung, bei der es neben Druck- und Temperaturwirkungen auf Pflanzenmaterial durch zusätzlich ablaufende chemische Prozesse zu einer stetigen Anreicherung von Kohlenstoff kommt und Kohle entsteht.