1. 存儲方式
傳統的關係型數據庫採用表格的儲存方式， 數據以行和列的方式進行存儲，要讀取和查詢都十分方便。
而非關係型數據不適合這樣的表格存儲方式，通常以數據集的方式，大量的數據集中存儲在一起，類似於鍵值對、圖結構或者文檔。
2. 存儲結構
關係型數據庫按照結構化的方法存儲數據， 每個數據表都必須對各個字段定義好（也就是先定義好表的結構），再根據表的結構存入數據，這樣做的好處就是由於數據的形式和內容在存入數據之前就已經定義好了，所以整個數據表的可靠性和穩定性都比較高，但帶來的問題就是一旦存入數據後，如果需要修改數據表的結構就會十分困難。
NoSQL數據庫由於面對的是大量非結構化的數據的存儲，它採用的是動態結構，對於數據類型和結構的改變非常的適應，可以根據數據存儲的需要靈活的改變數據庫的結構。
3. 存儲規範
關係型數據庫爲了避免重複、規範化數據以及充分利用好存儲空間，把數據按照最小關係表的形式進行存儲，這樣數據管理的就可以變得很清晰、一目瞭然，當然這主要是一張數據表的情況。如果是多張表情況就不一樣了，由於數據涉及到多張數據表，數據表之間存在着複雜的關係，隨着數據表數量的增加，數據管理會越來越複雜。
NoSQL數據庫的數據存儲方式是用平面數據集的方式集中存放，雖然會存在數據被重複存儲，從而造成存儲空間被浪費的問題（從當前的計算機硬件的發展來看，這樣的存儲空間浪費的問題微不足道），但是由於基本上單個數據庫都是採用單獨存放的形式，很少採用分割存放的方式，所以這樣數據往往能存成一個整體，這對於數據的讀寫提供了極大的方便。
4. 擴展方式
當前社會和科學飛速發展，要支持日益增長的數據庫存儲需求當然要求數據庫有良好的擴展性能，並且要求數據庫支持更多數據併發量，擴展方式是NoSQL數據庫與關係型數據庫差別最大的地方。
由於關係型數據庫將數據存儲在數據表中，數據操作的瓶頸出現在多張數據表的操作中，而且數據表越多這個問題越嚴重，如果要緩解這個問題，只能提高處理能力，也就是選擇速度更快性能更高的計算機，這樣的方法雖然可以一定的拓展空間，但這樣的拓展空間一定有非常有限的，也就是關係型數據庫只具備縱向擴展能力。
NoSQL數據庫由於使用的是數據集的存儲方式，它的存儲方式一定是分佈式的，它可以採用橫向的方式來開展數據庫，也就是可以添加更多數據庫服務器到資源池，然後由這些增加的服務器來負擔數據量增加的開銷。
5. 查詢方式
關係型數據庫採用結構化查詢語言（即SQL）來對數據庫進行查詢，SQL早已獲得了各個數據庫廠商的支持，成爲數據庫行業的標準，它能夠支持數據庫的CRUD（增加，查詢，更新，刪除）操作，具有非常強大的功能，SQL可以採用類似索引的方法來加快查詢操作。
NoSQL數據庫使用的是非結構化查詢語言（UnQL），它以數據集（像文檔）爲單位來管理和操作數據，由於它沒有一個統一的標準，所以每個數據庫廠商提供產品標準是不一樣的，NoSQL中的文檔Id與關係型表中主鍵的概念類似，NoSQL數據庫採用的數據訪問模式相對SQL更簡單而精確。
6. 規範化
在數據庫的設計開發過程中開發人員通常會面對同時需要對一個或者多個數據實體（包括數組、列表和嵌套數據）進行操作，這樣在關係型數據庫中，一個數據實體一般首先要分割成多個部分，然後再對分割的部分進行規範化，規範化以後再分別存入到多張關係型數據表中，這是一個複雜的過程。好消息是隨着軟件技術的發展，相當多的軟件開發平臺都提供一些簡單的解決方法，例如，可以利用ORM層（也就是對象關係映射）來將數據庫中對象模型映射到基於SQL的關係型數據庫中去以及進行不同類型系統的數據之間的轉換。
對於NoSQL數據庫則沒有這方面的問題，它不需要規範化數據，它通常是在一個單獨的存儲單元中存入一個複雜的數據實體。
7. 事務性
關係型數據庫強調ACID規則（原子性（Atomicity）、一致性（Consistency）、隔離性（Isolation）、持久性（Durability）），可以滿足對事務性要求較高或者需要進行復雜數據查詢的數據操作，而且可以充分滿足數據庫操作的高性能和操作穩定性的要求。並且關係型數據庫十分強調數據的強一致性，對於事務的操作有很好的支持。關係型數據庫可以控制事務原子性細粒度，並且一旦操作有誤或者有需要，可以馬上回滾事務。
NoSQL數據庫強調BASE原則（基本可用–Basically Availble、軟狀態–Soft-state、最終一致性–Eventual Consistency），它減少了對數據的強一致性支持，從而獲得了基本一致性和柔性可靠性，並且利用以上的特性達到了高可靠性和高性能，最終達到了數據的最終一致性。NoSQL數據庫雖然對於事務操作也可以使用，但由於它是一種基於節點的分佈式數據庫，對於事務的操作不能很好的支持，也很難滿足其全部的需求，所以NoSQL數據庫的性能和優點更多的體現在大數據的處理和數據庫的擴展方面。
8. 讀寫性能
關係型數據庫十分強調數據的一致性，併爲此降低讀寫性能付出了巨大的代價，雖然關係型數據庫存儲數據和處理數據的可靠性很不錯，但一旦面對海量數據的處理的時候效率就會變得很差，特別是遇到高併發讀寫的時候性能就會下降的非常厲害。
NoSQL數據庫相對關係型數據庫優勢最大的恰恰是應對大數據方面，也就是對於大量的每天都產生非結構化的數據能夠高性能的讀寫，這是因爲NoSQL數據庫是按key-value類型進行存儲的，以數據集的方式存儲的，因此無論是擴展還是讀寫都非常容易，並且NoSQL數據庫不需要關係型數據庫繁瑣的解析，所以NoSQL數據庫大數據管理、檢索、讀寫、分析以及可視化方面具有關係型數據庫不可比擬的優勢。
9. 授權方式
關係型數據庫常見的有Oracle，SQLServer，DB2，Mysql，除了Mysql大多數的關係型數據庫如果要使用都需要支付一筆價格高昂的費用，即使是免費的Mysql性能也受到了諸多的限制。
對於NoSQL數據庫，比較主流的有redis，HBase，MongoDb，memcache等產品，通常都採用開源的方式，不需要像關係型數據庫那樣，需要一筆高昂的花費。