K matematickému modelování databázových dotazů se zhruba od roku 1970 používá tzv. relační algebra (E.F. Codd). Je to vysoce abstraktní jazyk ekvivalentní k logice prvního řádu, který poskytuje potřebnou syntaxi a sémantiku pro formální a přesný zápis databázových dotazů. Algebru používají i samotné relační databázové systémy během vytváření exekučního plánu – tedy konkrétní strategie, jak se dotaz vyhodnotí.
Dotazovací jazyk, který umožňuje realizovat relační algebru, se nazývá relačně úplný. S jistou dávkou tolerance lze i jazyk SQL považovat za relačně úplný.
Základními primitivními operacemi relační algebry jsou:
Definice binárnách množinových operací byly pro použití v relační algebře mírně upraveny. Roli zde navíc hrají i atributy relací. Operátory spojení a průnik jsou definovány pouze pro dvě relace se stejnou množinou atributů. I definice kartézského součinu se mírně liší:
€€ R \times S = \{ r \cup s \;|\; r \in R, s \in S \} €€Selekce je unární operátor a značí se malým řeckým písmenem sigma.
Projekce je unární operátor a značí se malým řeckým písmenem pí.
Přejmenování je unární operátor a značí se malým řeckým písmenem ró.