En matematisk relasjon uttrykker forholdet mellom to (eller flere) matematiske størrelser. Relasjoner spiller en viktig rolle i alle områder av matematikken. Eksempler på enkle relasjoner som brukes på tall er «større enn», «mindre enn» og «er lik», f.eks. betyr a>b at tallet a er større enn tallet b. Relasjoner som brukes på mengder, er for eksempel «er delmengde av», som uttrykkes ved symbolet , og «er element i», som uttrykkes ved symbolet . Også i dagliglivet opererer man med relasjoner, f.eks. «x er far til y».
Relasjoner som, i likhet med de ovennevnte, omfatter to størrelser, sies å være binære. En binær relasjon R er fullstendig bestemt når man vet hvilke par (a,b) den er gyldig for, og den kan derfor uttrykkes som mengden av de par (a,b) der aRb (dvs. «a står i relasjon R til b») gjelder. Dette kan vi også skrive som R(a,b). En binær relasjon R i en mengde M kan sees på som en undermengde i produktmengden M×M, dvs. mengden av alle par (a, b) der a M og b M og der to par (a1,b1) og (a2,b2) ansees som identiske hvis a1 = a2 og b1 = b2.
Binære relasjoner klassifiseres blant annet ved hjelp av følgende egenskaper: 1) R er refleksiv hvis aRa for alle aM. 2) R er symmetrisk hvis aRb medfører bRa. 3) R er transitiv hvis aRb og bRc medfører aRc. En binær relasjon som har alle disse tre egenskapene, kalles en ekvivalensrelasjon. Det enkleste eksempelet på en ekvivalensrelasjon er relasjonen «er lik». En binær relasjon som er transitiv, refleksiv og antisymmetrisk (dvs. at aRb og bRa impliserer a = b) kalles ofte en ordningsrelasjon.
Relasjoner med flere ledd enn to opptrer også, både i matematikken og i dagliglivet, f.eks. «x er far til både y og z», eller «x ligger mellom 2 og 4».