关系型数据库以由行和列组成的结构化表存储数据。每个表代表一个特定实体（例如，“Users”或“Orders”），其中列定义数据类型（例如，整数、字符串），行代表单个记录。例如，“Users”表可能包含 user_id、name 和 email 等列，每行包含特定用户的数据。表之间的关系通过键建立：主键（如 user_id）唯一标识表中的一行，而外键（例如，“Orders”表中的 user_id）链接到相关表中的主键。这种结构强制执行数据完整性并避免重复。
在物理层面，关系型数据库使用存储引擎管理磁盘上的数据。数据通常存储在固定大小的数据块或页中，这些数据块或页经过优化以实现高效的读写操作。例如，数据库可能顺序存储表的所有行，并通过索引（如 B 树）实现快速查找。执行查询时，存储引擎从磁盘检索相关页，将其加载到内存中，并处理数据。事务通过预写日志（WAL）进行管理以确保持久性——在将更改应用到实际数据文件之前，会先记录更改，从而允许在发生故障时进行恢复。例如，PostgreSQL 使用堆表和索引的组合来平衡读写效率。
开发者使用 SQL（结构化查询语言）与关系型数据库交互。SQL 允许查询数据（例如 SELECT * FROM Users WHERE user_id = 123）、插入或更新记录以及定义模式。查询优化器将 SQL 语句转换为执行计划，选择访问数据的最有效方式（例如，使用索引扫描而非全表扫描）。例如，user_id 上的索引允许数据库无需扫描整个表即可快速定位特定用户的数据。尽管关系型数据库擅长处理结构化数据和复杂查询，但它们需要仔细的模式设计（范式化）以最大限度地减少冗余并确保一致性。PostgreSQL 中的 EXPLAIN 等工具可帮助开发者分析查询性能和优化索引。