1. Реляционная модель данных не допускает естественного представления данных со сложной (иерархической) структурой, поскольку в ее рамках возможно моделирование лишь с помощью плоских отношений (таблиц). Все отношения принадлежат одному уровню, многие значимые связи между данными либо теряются, либо их поддержку приходится осуществлять в рамках конкретной прикладной программы.
2. По определению в реляционной модели поля кортежа могут содержать лишь атомарные значения. Однако, в приложениях САПР (ГИС) и системах искусственного интеллекта должны проводиться операции со сложно-структурированными объектами.
3. Слишком высокий уровень деструктуризации (раздробления) данных по многочисленным таблицам, что (1) уменьшает скорость выполнения запросов, (2) увеличивает их сложность, а значит возможность совершения дополнительных ошибок. Пример:
4. Пусть нам необходимо создать базу данных земельных участков. Каждый участок задается координатами узлов ломаной линии, ограничивающей его по периметру. В этом случае спроектировать реляционную таблицу невозможно, т.к. заранее не известно количество узлов для всех участков. Также невозможно написать общие процедуры (вычисление площади, нахождение пересечения и т.д.) для всех случаев.

Кроме того, имеются определенные недостатки и в релизации тех возможностей, которые прямо не предусматриваются реляционной моделью, но стали непременным атрибутом всех современных СУБД:

1. Цикл существования реляционной базы данных состоит в переходе от одного целостного состояния к другому. Однако, нельзя избежать такой ситуации, когда пользователь вводит данные, формально удовлетворяющие ограничениям целостности, но не соответствующие реальному состоянию предметной области. В этом случае предыдущее значение данных будет утеряно.
2. Реляционная СУБД выполняет над данными не только те действия, которые задает пользователь, но и дополнительные операции в соответствии с правилами, заложенными в базу данных. Всегда ли хороши эти правила?