Batuan karbonat Secara umum batuan sedimen terendapkan pada laut dangkal namun juga ada bebreapa yang terendpakan pada laut dalam sampai pada batas CCD. Faktor yang menentukan karakteristik akhir produk diagenesa antara lain komposisi sedimen mula-mula, sifat alami fluida interstitial dan pergerakannya, dan proses fisika, kimia, maupun biologi yang bekerja selama diagenesa. Namun secara umum batuan sedimen karbonat lebih banyak terbentuk akibat proses kimia dan proses biologi atau biasa disebut dengan proses geokimia dan biogenetik. Proses-proses diagenesis yang dialami oleh batuan karbonat meliputi
Proses pelarutan merupakan proses diagenesis yang penting yang menyebabkan meningkatnya porositas dan penipisan lapisan batuan sedimen terutama pada batuan yang mudah larut seperti batuan karbonat dan evaporit. Proses ini dikontrol oleh pH, Eh, temperature, tekanan parsial CO2, komposisi kimia dan ion strength. Proses pelarutan juga dikontrol oleh porositas dan permiabilitas awal, kandungan mineraL beserta sifat mineral yang ada dan ukuran butir sedimen.. Material yang paling mudah larut dalam batupasir adalah semen kalsit, sehingga efek utama dari proses pelarutan adalah penghilangan semen. Proses ini diesbut disementasi. Mineral metastabil; yaitu mineral yang stengah stabil dan seteng tidak pada batupasir seperti feldspar, fragmen batuan dan mineral berat, dapat juga mengalami pelarutan.
Proses Sementasi adalah proses dimana butiran-butiran sedimen direkatkan oleh material lain, dapat berasal dari air tanah atau hasil pelarutan mineral-mineral dalam sedimen itu sendiri. Material semennya dapat berupa karbonat (CO3), silika (Si), atau oksida (Fe). Sementasi dengan keluarnya air dari ruang pori-pori, material yang terlarut di dalamnya mengendap dan merekatkan butiran-butiran sedimen. Material semennya dapat merupakan karbonat (CaCO3), silica (SiO3), oksida (besi) atau mineral lempung. Proses ini menyebabkan porositas sedimen menjadi lebih kecil dari material semula. Proses ini lebih mengarah kepada proses kimia.
Dolomitisasi adalah perubahan limestone secara parsial maupun keseluruhan menjadi dolomit. Dolomit mempunyai komposisi CaMg(CO3) 2 dan secara kristalografi serupa dengan kalsit, namun lebih besar densitasnya, sukar larut dalam air, dan lebih mudah patah (brittle). Secara umum, dolomit lebih "porous" dan "permeable" dibandingkan batugamping. Saat sedimen terakumulasi, mineral yang kurang stabil mengkristal kembali atau terjadi rekristalisasi, menjadi yang lebih stabil. Proses ini umumnya terjadi pada batu gamping terumbu yang porous. Mineral aragonite (bahan struktur koral hidup), lama-kelamaan berekristalisasi menjadi bentuk polimorfnya, kalsit.
Aktifitas organisme terjadi pada awal proses diagenesis segera setelah material sedimen mengalami pengendapan. Aktifitas organisme akan mempercepat atau memacu terjadi proses diagenesis lainnya. Organisme yang menyebabkan proses ini dapat merupakan organisme yang sangat kecil (mikrobia) dimana aktifitas jasad renik sangat berhubungan dengan proses dekomposisi material organik. Proses dekomposisi material organik akan mempengaruhi pH sehingga mempercepat terjadinya reaksi kimia dengan mineral penyusun sedimen. Aktifitas mikrobia antara lain fermentasi, respirasi, pengurangan nitrat, besi, sulfat dan pembentukan gas methana. Selain itu aktifitas organisme lainnya terjadi ketika endapan sedimen berlangsung seperti "burowing" dan "boring". Proses ini akan membentuk kenampakan yang khas pada batuan sedimen yang disebut struktur sedimen. Aktivitas mikroba ini dapat temasuk proses kimia maupun fisik.
Proses kompaksi pada umumnya terjadi akibat terbebaninya lapisan akibat sedimen yang berada di atasnya, sehingga menyebabkan hubungan antar butir menjadi lebih dekat dan juga air yang terkandung dalam pori-pori lapisan tertekan keluar. Kompaksi ini lebih banyak dipengaruhi oleh faktor tekanan. Dengan demikian volume batuan sedimen yang terbentuk menjadi lebih kecil, namun sangat kompak. Kompaksi merupakan proses penyusunan kembali butiran sedimen sehingga menghasilkan hubungan antara butiran yang lebih rapat. Hasil dari proses kompaksi adalah penurunan porositas dan permeablitas sedimen, pengeluaran fluida dan pori antara butiran serta penipisan perlapisan.
Perubahan kimia antara lain terdapat pada proses sementasi, authigenesis, replacement, inverse, dan solusi. Proses sementasi menentukan kemampuan erosi dan pengangkatan partikel oleh fluida. Banyak di antara mineral yang ada akan hilang seiring proses yang ada terutama akibat erosi sehingga aka nada penggantian mineral baru untuk mengganti kekosongan dari mineral yang hilang tersebut.