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肾结石是呈团块状的固体，小至沙子大小，大至鸭蛋大小，它具有不同的颜色及性状，以黄色或棕色的结石居多，质地光滑或粗糙皆有。肾结石的组成成分主要有无机物晶体和有机基质。常用的结石分类方法是通过其主要无机物成分，将结石分为四大类：钙结石、尿酸结石、磷酸镁铵结石以及胱氨酸结石。结石中的有机基质可覆盖于无机物晶体表面，并填充于晶体之间的空隙内。有机基质的种类包括许多生物大分子，如骨桥蛋白（osteopontin）、间α抑制蛋白（inter-α-inhibitor）、尿凝血酶原片段1（UPTF1）以及各种形式的脂类等，它们共同诱导了结石晶核的形成。无机物晶体和有机基质之间的相互作用始于晶核形成的早期，并贯穿于结石生长与形成的全过程。其中的某些生物大分子可作为结石形成的抑制剂，如UPTF1；某些既可作为抑制剂，也可以作为促进剂，如骨桥蛋白。有研究表明，CaO x 晶体的存在可引起机体的应激反应，诱导生物大分子的产生，因此这类生物大分子的作用可能是抑制或调节结石的生长的。
钙结石是最常见的肾结石，由草酸钙（CaO x ）和磷酸钙（CaP）晶体单独或混合组成。
是最常见的肾结石类型，约占所有类型结石的80%。晶体沉积的形式多为草酸钙的一水合物及二水合物。一水草酸钙（CaO x monohydrate，COM）的晶体很薄，呈板状，通常组合形成“哑铃”状沉积于尿液中。在结石内部，COM晶体呈放射状扇形排列，剖面呈年轮状，晶体在结石内以晶核为中心由内向外逐层排列。二水草酸钙晶体（CaO x dihydrate，COD）在尿液及肾结石中均呈四方双锥形结构。CaO x 结石较小，表面可形成闪亮的光点，结石内通常同时含有COM和COD晶体。对于单一成分草酸钙结石而言，纯COM结石比纯COD结石更常见。在二者混合的结石中，COD晶体主要分布于结石表面，使结石形成粗糙的表面；而纯COM结石的表面则更加光滑。现有的理论认为，草酸钙结石的形成与肾乳头钙斑（Randall plaque）密切相关，Alexander Randall在20世纪30年代末提出假说：肾结石依托于肾乳头表面的磷灰石沉积物生长，并最终脱落。Nicole L.Miller等人通过肾乳头活检及肾结石成分分析证实了Randall斑块假说在草酸钙结石方面的真实性。
导致草酸钙结石形成的主要原因为生活方式和遗传因素，即尿钙或草酸排泄增加，或尿量及尿柠檬酸排泄减少。草酸钙结石常与磷酸钙及尿酸结石共存，但与后两者不同的是，当尿pH处于正常范围5～8时，草酸钙晶体沉积的速度没有明显变化。
约有15%的肾结石中含有CaP。CaP结石主要为碱性磷灰石、二水磷酸氢钙（透钙磷石）或磷酸三钙（白磷钙石）。其中，碱性磷灰石最为常见，通常为粉末状，填充于其他晶体之间，尤其是CaO x 晶体。透钙磷石在肾结石中较为罕见，在结石中常呈放射状刀片状排列。白磷钙石则最为罕见。CaP常与CaO x 及磷酸镁铵结石共同存在，但极少与尿酸结石共存，其原因在于尿pH对磷酸钙及尿酸溶解度的差异。
尿钙升高、低柠檬酸尿及尿液pH升高是CaP结石形成的主要危险因素。
尿酸结石占肾结石总数的8%～10%，在肥胖和胰岛素抵抗（即代谢综合征）患者中发病率更高。大部分尿酸结石呈鹅卵石状，晶核为松散的无水尿酸结晶，周围辐射状包绕着无水尿酸晶体。另一类尿酸结石具有较为紧致的外壳，但内部仍是易碎多孔的结构，这类结石主要由无水尿酸、二水合尿酸、有机基质及COM晶体共同组成。
与钙结石不同的是，由于尿酸在pH降低时溶解度降低，因此尿液pH降低（pH＜5.5）是导致尿酸结石的主要原因。此外，尿酸排泄过多（即高尿酸尿症）、饮食摄入过多富含嘌呤的食物、内源性尿酸产生过多、嘌呤分解增加（如骨髓增生性疾病及化疗患者）和尿酸重吸收被抑制都是尿酸结石产生的原因。
磷酸镁铵结石，也被称为“鸟粪石”或“感染性结石”，目前占全球所有结石的7%～8%，通常是由于产生脲酶的微生物（如变形杆菌或克雷伯氏菌）感染，微生物代谢产生氨气碱化尿液，进而导致六水合磷酸镁铵晶体形成。鸟粪石和碳酸盐磷灰石晶体共存时，二者可以迅速长大，填满肾盂和肾盏内的空间，形成鹿角状的大结石。鸟粪石常会引起尿源性脓毒血症而导致患者死亡，因此抗生素治疗加上手术治疗成为治疗鸟粪石的主要选择。同时，鸟粪石的复发率较高，在免疫功能受损的患者中尤为显著。鸟粪石是由球状碳酸盐磷灰石晶体包裹的“棺盖”状鸟粪石晶体组成，内部混有细胞碎片及细菌。
尿路中存在脲酶是形成磷酸镁铵结石的唯一尿路危险因素。
胱氨酸结石的形成是由于患者具有常染色体隐性缺陷，导致其缺乏胱氨酸肾脏转运蛋白，在肾脏中胱氨酸重吸收减少导致尿液中胱氨酸增加，最终在正常的尿液pH下，胱氨酸析出形成胱氨酸结晶，聚集形成反复出现的肾结石和膀胱结石。胱氨酸结石结构紧密，呈琥珀色，略微不透明，密度均匀。
腺嘌呤磷酸核糖转移酶（APRT）缺乏症是一类常染色体隐性遗传病，可导致2，8-二羟腺嘌呤（2，8-dihydroxyadenine，DHA）结石。运用药物别嘌呤醇可预防这类结石的形成。
在尿液中，某些溶解度较低的药物及其代谢物更容易因过饱和而析出，并在集合系统中形成结晶，即所谓的医源性结石。例如，接受蛋白酶抑制剂（茚地那韦及阿扎那韦等）治疗的人类免疫缺陷病毒（human immunodeficiency virus，HIV）感染者患肾结石的风险更高。茚地那韦及阿扎那韦部分经肝脏代谢，另一部分药物则成比例由肾脏排出，最终在肾脏中形成结晶及肾结石。
食物中的难溶及不溶物质也极易在肾脏中形成结晶并沉积，最终形成肾结石。如2008年国内发生的重大食品安全卫生事件——三聚氰胺事件，因不良厂商在婴幼儿奶粉中违法添加三聚氰胺，导致超过29.4万婴幼儿患上肾结石，超过5万名患儿住院，6名患儿因此死亡的惨剧。
某些结石并非由单一成分的晶体组成，而是由上述多种类型晶体组合而成的。例如，CaO x 晶体常与CaP及尿酸晶体共同组成结石；CaP常与CaO x 及磷酸镁铵晶体共同组成结石等。