A l'exception des réactions diagénétiques, en dessous d'une certaine limite de température aucune réaction ne peut avoir lieu dans un temps géologique appréciable entre les différents minéraux de ces roches, même s'ils ne sont pas en équilibre, car les vitesses de réaction sont alors extrêmement petites. A partir d'environ 250 °C, ont lieu les premières réactions métamorphiques. Au cours de ces réactions, les minéraux néoformés à partir des minéraux originels de la roche tendent à être en équilibre chimique entre eux, au moins à l'échelle des grains cristallins, dans les conditions de température et de pression auxquelles ont lieu les réactions. Si ces conditions changent, l'association minérale peut, à son tour, devenir instable, et de nouveaux minéraux de métamorphisme se forment. La rapidité et l'importance des réactions augmentent pour des températures croissantes jusqu'à intéresser tous les minéraux de la roche, car le pouvoir dissolvant des fluides et la diffusion à l'état solide augmentent également en fonction de la température.  Souvent, les minéraux de métamorphisme ont un champ de stabilité très limité par rapport à la température et à la pression; une formation rocheuse initiale de composition lithologique uniforme, une formation argileuse, par exemple, peut acquérir durant le métamorphisme des compositions minéralogiques et structurales très différentes dans des régions voisines si celles-ci sont soumises à des conditions de température et de pression différentes. Seules les roches monominérales, comme les calcaires purs, les grès quartziques et les silex, sont stables dans des conditions variées de température et de pression; au cours du métamorphisme, leur composition minéralogique ne change pas, à moins que n'interviennent des apports métasomatiques d'autres substances.

La limite inférieure du métamorphisme est définie dans les roches pélitiques par le degré de cristallisation d'un minéral argileux, \'illite, déterminé par les méthodes de rayons X. Dans les roches de composition basique, cette limite inférieure est définie par l'apparition de certains minéraux zéolitiques.

Un autre facteur important du métamorphisme est la pression, ou plutôt les différents types de pression.

Le premier type, le plus évident, est la pression lithostatique, encore appelée pression de charge, due à la masse des roches et des sédiments sus-jacents à la roche considérée lors du métamorphisme.  Sa valeur dépend de la profondeur et de la densité des roches; l'augmentation moyenne de la pression lithostatique est d'environ 250 à 300 atmosphères par kilomètre. La pression lithostatique peut être considérée comme isotrope, c'est-à-dire comme ayant des valeurs égales dans toutes les directions.

Les températures auxquelles ont lieu les réactions métamorphiques faisant intervenir des phases fluides dépendent de la pression de celles-ci. En général, une réaction qui comporte la libération d'une phase fluide requiert une température d'autant plus forte que la pression de la phase fluide est plus grande. Les observations pétrographiques sur le métamorphisme de roches dont la composition varie d'un point à un autre, même sur de faibles distances comme c'est généralement le cas pou les roches sédimentaires, ont montré que les phases fluides ont souvent une diffusion limitée : la pression partielle de chacun de leurs constituants dépend de la quantité qui est libérée localement, et; ordinairement les divers constituants ne se mélangent pas dans des volumes très importants de roches. Cependant, globalement, le métamorphisme provoque, pour des températures croissantes, un appauvrissement des roches en eau et en gaz carbonique. A faible température, les minéraux métamorphiques néoformés sont des minéraux hydratés ou contenant des oxhydryles dans leur réseau cristallin; à haute température, les minéraux néoformés anhydres.

Dans les réactions métamorphiques ayant lieu à des températures d'environ 300 °C, seuls quelques minéraux préexistants dans la roche sont transformés. A des températures plus fortes, un pourcentage plus élevé de minéraux est affecté par les réactions, jusqu'à ce que, à partir d'une certaine limite, tous les minéraux de la roche prennent part aux réactions, de telle manière que la composition minéralogique de chaque roche représente un équilibre chimique entre tous ses constituants. Généralement, la composition minéralogique d'une roche reflète les valeurs les plus élevées atteintes par les températures et les pressions au cours du métamorphisme. Ces valeurs peuvent être évaluées, car il est possible de les reproduire et d'étudier en laboratoire un grand nombre de réactions métamorphiques.

Les reliques instables sont, au contraire, des minéraux à intervalle de stabilité thermique restreint, mais qui persistent dans des roches métamorphiques formées à des températures non comprises dans cet intervalle. Ce minéraux sont relativement fréquents dans le cas de roches faiblement métamorphiques où les réactions ne se sont pas entièrement effectuées, et dans les cas de métamorphisme rétrograde où ils se présentent souvent « blindés », c'est-à-dire entourés d'une enveloppe de produits d'altération qui a empêché l'accomplissement des réactions métamorphiques en isolant le cœur du cristal.

Puisque le métamorphisme représente un phénomène d'équilibre entre les constituants d'une roche et les conditions physiques du système, on peut se demander pourquoi les roches métamorphiques exposées à la surface terrestre par suite de phénomènes de dislocations et d'érosion ont conservé la composition minéralogique qu'elles avaient acquise dans des conditions de température et de pression très élevées existant dans les profondeurs de la croûte terrestre. Pourquoi cette composition n'a-t-elle pas changé lors de la diminution progressive de profondeur (et, par conséquent, de température et de pression) que les roches ont subie postérieurement? Les observations montrent que les roches métamorphiques conservent généralement la composition chimique correspondant à l'équilibre avec les températures et pressions maximales auxquelles elles ont été soumises. Cela s'explique d'une part par le fait que, lors du métamorphisme à hautes températures, les minéraux hydratés et ceux qui contenaient de l'eau combinée dans leur réseau cristallin sous forme d'oxhydryles se sont transformés en minéraux anhydres, et, d'autre part, par le fait que les petites quantités d'eau interstitielle à l'état de vapeur supercritique ont été expulsées presque complètement lors du métamorphisme. C'est pourquoi, lors de la diminution progressive de la température qui suit les phénomènes métamorphiques, du fait de l'absence de phase fluide, les minéraux formés à haute température ne peuvent généralement pas réagir entre eux pour produire d'autres minéraux stables à plus faible température. Il existe toutefois assez fréquemment des cas de métamorphisme rétrograde, c'est-à-dire de réactions entre minéraux stables à hautes températures pour former des minéraux stables à des températures inférieures. Ces réactions sont rendues possibles par l'apport, lors de la diminution de température, de petites quantités de fluides provenant d'intrusions magmatiques ou de phénomènes métamorphiques ayant lieu dans des régions voisines.

La présence de vapeur d'eau à l'état supercritique, dérivée des petites quantités d'eau présentes dans les interstices intercristallins des roches et en partie expulsée lors des réactions métamorphiques, rend possible les réactions accompagnées de phénomènes de dissolution et de diffusion ionique; ces réactions, peu claires encore dans le cas des vapeurs supercritiques, sont probablement analogues à celles qui se produisent dans les solvants liquides. La diffusion ionique est efficace, lors du métamorphisme, sur des distances très petites (de l'ordre du centimètre). En effet, les différences de composition originelle des roches soumises au métamorphisme se reflètent dans les différentes associations minéralogiques des roches métamorphiques, même sur des distances inférieures au centimètre. C'est pourquoi la stratification caractéristique des roches sédimentaires, c'est-à-dire la présence de niveaux de composition différente, est souvent bien conservée après le métamorphisme, particulièrement dans le cas où les pressions orientées n'ont pas atteint des valeurs élevées. On connaît des paragneiss où la stratification parallèle ou oblique des grès dont ils dérivent a été conservée, bien qu'ils soient constitués de minéraux complètement différents des minéraux originels. Ainsi, l'équilibre entre les minéraux composant une roche métamorphique ne se réalise-t-il que sur des distances petites, qui peuvent être parcourues par la diffusion ionique; ces distances augmentent légèrement avec l'élévation de température.

Les réactions métamorphiques se représentent graphiquement de manière analogue aux réactions chimiques, c'est-à-dire en écrivant l'ensemble des minéraux et des ses phases fluides prenant part à la réaction, et en les égalisant avec l'ensemble des minéraux et des substances fluides produits par la réaction. Au lieu d'écrire la formule chimique des minéraux aussi exprimée sous forme d'oxydes, on peut simplement écrire leur nom ainsi :

Comme dans toutes les réactions chimiques, il existe une température d'équilibre à laquelle les deux associations minérales sont stables en même temps; si la température augmente, l'équilibre se déplace vers l'association écrite à droite du signe d'égalité, ce qui s'indique par une flèche entre les deux associations minérales, et vice versa. Il se forme alors l'association minérale stable dans les conditions considérées, au détriment de l'autre association. La vitesse de réaction augmente avec l'élévation de température au-dessus de la température d'équilibre, jusqu'à ce que l'un des minéraux réagissant ait complètement disparu. La température d'équilibre varie en fonction de la pression, ou plutôt en fonction des trois types de pression qui ont été distingués. D'ordinaire, la température d'équilibre augmente avec la pression, surtout si, parmi les produits de la réaction, il existe des phases fluides (dans ce cas, on considère la pression de la phase fluide interstitielle). Cependant, pour quelques réactions métamorphiques, la température d'équilibre décroît avec l'élévation de la pression, lithostatique ou orientée.