文档数据库和关系数据库的主要区别在于它们组织和管理数据的方式。关系数据库将数据组织成具有预定义列和行的表，其中每行代表一条记录，列定义了严格的数据类型。表之间的关系通过外键建立，并使用 SQL 进行数据查询。相比之下，文档数据库将数据存储为灵活的、自包含的文档（通常采用 JSON 或 BSON 格式），其中每个文档可以具有独特的结构。关系通常通过将相关数据直接嵌入文档中或通过引用来处理，从而无需进行复杂的联接。
数据查询和事务处理方式也存在显著差异。关系数据库依赖 SQL，它允许进行涉及多表联接的复杂查询，并支持 ACID（原子性、一致性、隔离性、持久性）事务以确保数据完整性。例如，银行系统可以使用 SQL 通过联接交易记录和用户数据来计算账户余额。然而，文档数据库使用针对其文档结构定制的查询 API，通常为了简单性和可伸缩性而牺牲了联接功能。虽然某些文档数据库支持单文档的 ACID 事务，但跨文档事务可能受到限制或需要应用程序级别的处理。例如，MongoDB 在后续版本中添加了多文档 ACID 支持，但这不如在关系系统中常见。
用例通常决定了哪种类型的数据库更受欢迎。关系数据库擅长处理需要复杂查询、严格数据一致性和明确模式的场景，例如金融系统或库存管理。文档数据库更适合处理数据模型不断演变或具有层次结构数据的应用程序，例如内容管理系统或用户资料，其中属性差异很大。例如，文档数据库中的电子商务产品目录可能将每个产品存储为一个包含嵌套规格的文档，而关系数据库会将此数据拆分到单独的表（产品、类别、规格）中。选择取决于在灵活性、可伸缩性和事务需求之间进行权衡。