泥质岩在成岩阶段主要发生压实作用和矿物成分的转变。软泥中富含水，其水分多达总体积的70~90%。在上覆地层的压实作用下，排出大部分的水。因此，在深度1公里左右，泥质沉积物仅含30%的水，此时已形成泥质岩。随着埋深加大，发生不同程度的脱水作用，最后泥质岩中只剩下百分之几的水。矿物成分的转变主要是由于埋深增加而温度逐渐升高。蒙脱石在地温 75~95℃时开始变成混层粘土(如蒙脱石-伊利石)，地温增至150℃以上时，逐渐转化为伊利石和绿泥石。高岭石在100℃以上时，当孔隙溶液中(K)/(H)比值升高时，转变成伊利石。当过渡到初始变质(温度为200~300℃，压力为1×108~2×108帕)时，可出现叶蜡石和浊沸石。随着初始变质程度的加强和继之而来的低级变质作用，最后，伊利石被绢云母和绿泥石代替。因此，研究粘土矿物在成岩作用中的转变，可以提供重要的地热信息，指示石油的生成、保存和煤级的变化。

主要由小于4微米的颗粒组成，因而岩石致密均一。当含粉砂和砂时，则形成各种过渡类型结构，如粉砂泥质结构、砂泥质结构等。

粘土质点围绕核心凝聚而成，直径小于2毫米的称鲕粒，大于2毫米的称豆粒，常见于胶体成因的粘土岩中。

粘土物质沉积后，尚未完全固结，受到流水冲刷形成砾屑，又被粘土物质胶结而成。粘土岩的构造分宏观构造和显微构造。宏观构造中最显著的是由于粘土矿物的定向排列而呈现出的剥裂性，在页岩中最常见。常见的显微构造有:由极细小的鳞片状粘土矿物杂乱分布而成的鳞片构造，多见于泥岩中;由纤维状粘土矿物错综交织而成的毡状构造和由片状粘土矿物定向排列而成的定向构造。常在静水环境中形成，也可以是压实作用的结果。

泥质岩的化学成分主要取决于它的矿物成分和所吸附离子的成分和含量。泥质岩的化学成分以SiO2、Al2O3和H2O为主，其中又以SiO2为最多。页岩的平均化学成分含量(%)为:SiO2 58.10,Al2O3 15.40,Fe2O3 4.02,FeO 2.45,MgO 2.44,CaO 3.11,Na2O 1.30,K2O 3.24,CO2 2.63,C 0.80,H2O 5.00。

泥质岩中SiO2含量主要取决于石英含量，大部分CaO和少量MgO取决于碳酸盐矿物的多少。Al2O3、Fe2O3、FeO、Na2O、K2O主要赋存于粘土矿物中，这些氧化物的含量变化取决于不同的粘土矿物。

沉积环境对泥质岩的化学成分也有一定的影响。如美国宾夕法尼亚系海成粘土比非海成粘土含有更多的钙。