Giữa các Actor và Use Case trong biểu đồ Use Case có các kiểu mối quan hệ khác nhau:

-  Quan hệ giao tiếp (Association) giữa Actor và Use Case: cho biết có một kết hợp giữa một Actor và một Use Case. Nghĩa là con người hoặc hệ thống, trong vai trò Actor này, sẽ giao tiếp với các thể hiện của Use Case, tham gia chuỗi các sự kiện được Use Case biểu diễn. Use Case được cài đặt thành một vài Module chương trình và các Actor sẽ sử dụng chương trình này bằng cách nhập thông tin vào, nhận thông tin ra. Một Actor có thể được kết hợp với một hoặc nhiều Use Case, và một Use Case có thể được kết hợp với một hoặc nhiều Actor

Quan hệ giao tiếp giữa Actor và Use Case biểu diễn bởi mũi tên hay đường thẳng  nối Actor với Use Case

Ví dụ: Quan hệ giữa Khách hàng, Hệ thống tín dụng và các Use Case Gởi tiền, Rút tiền, Xem số dư

-  Quan hệ bao gồm (Include) giữa các Use Case(phiên bản UML 1.1 là Uses):

Đôi khi một Use Case có các tính năng của một Use Case khác, khi đó tồn tại quan hệ Include (bao gồm) giữa chúng. Quan hệ Include được vẽ bằng một mũi tên đứt nét hướng đến Use Case thứ hai, kèm theo từ «include» đặt bên cạnh mũi tên. Điều này tránh được tình trạng cùng một chuỗi hành động lại định nghĩa trong nhiều Use Case. Use case bao gồm sẽ tiếp tục chuỗi hành động tại điểm mà nó Include, sau đó quay lại và tiếp tục quá trình tạm dừng trước đó.

Ví dụ: Quan hệ Include giữa Use Case Rút tiền và Use Case Xác thực khách hàng, hay giữa Use Case Rút tiền và Kiểm tra tài khoản

-  Quan hệ mở rộng (Extend) giữa các Use Case:

Trong khi quan hệ Include là quan hệ Use Case này chứa Use Case khác, thì quan hệ Extend là quan hệ mở rộng một Use Case. Trong một điều kiện nào đó, một Use Case cần được mở rộng bằng một Use Case khác, nghĩa là nếu điều kiện thỏa mãn thì Use Case mở rộng mới thực hiện. Quan hệ được vẽ bằng một mũi tên đứt nét hướng đến Use Case được mở rộng, và từ «extend» được đặt bên cạnh mũi tên

Ví dụ: Quan hệ giữa Use Case Rút tiền và In biên nhận, nếu khách hàng muốn in biên nhận thì Use Case In biên nhận mới thực hiện

Điểm mở rộng (Extension Points) có thể được mô tả ở trong ký hiệu Use Case:

            Extension Points: điểm mở rộng

-  Quan hệ tổng quát hóa (Generalization) giữa các Use Case:

Đôi khi chúng ta gặp trường hợp cùng một Use Case lại có nhiều phiên bản khác nhau, các phiên bản này có một số hành động giống nhau và một số hành động không giống nhau. Kết hợp Generalization được vẽ bằng một biểu tượng hình tam giác trên đường nối hướng đến Use Case tổng quát

Đôi khi một Use Case tổng quát ở mức cao là Use Case không tồn tại trong hệ thống thực, có thể không được tác nhân khởi động, nó được dùng để định nghĩa các chức năng chung cho các Use Case cụ thể. Trong trường hợp này chúng ta gọi đó là chức năng trừu tượng (Abstract Use Case), tên của Use Case trừu tượng sẽ được in nghiêng. Các Use Case đặc biệt thường được gọi là Use Case cụ thể (Concrete Use Case) hay Use Case thực (Real Use Case)

-  Quan hệ tổng quát hóa (Generalization) giữa các Actor:

Giữa các Actor cũng tồn tại kết hợp Generalization như giữa các Use Case. Kết hợp Generalization sử dụng khi nhiều tác nhân có chung một số thuộc tính và hành vi nào đó. Tác nhân không có thể hiện (hiện thực) là tác nhân trừu tượng.