Premier élargissement (821-852)
Abderraman II (822) agrandit la salle de prière en huit sections au sud, avec une nette influence abbasside sur la décoration, résultat des contacts politiques avec le califat oriental et de l'arrivée de figures de l'Est vers la péninsule. Mohamed I donne une forme définitive à la Porte de Saint Étienne, dont l'origine véritable est inconnue, bien que sa position esthétique entre l'art wisigothique et le calife de Cordoue semble claire. L'émir précédent a été remplacé par Al-Mundir et Abd-Allah. La première soulève la pièce du trésor, dont l'emplacement définitif n'est pas connu. Le second construira un passage secret ou sabat qui unirait le califat Alcazar au mihrab.
Deuxième élargissement (S. X)
En 929, Abderraman III se proclame calife et Cordoue devient la capitale du royaume islamique le plus grand et le plus influent de l'Occident. La seule intervention de l'Alhama fut un nouveau minaret et l'agrandissement de la cour. Le minaret devint le premier à l'ouest. Abderraman fut également contraint de renforcer les arcs qui reliaient l'oratoire couvert au patio des ablutions, déformé par la poussée des nefs. Dans la porte d'entrée principale du temple depuis la cour, il place un grand arc en fer à cheval sur celui existant et construit une voûte en berceau entre les deux. Au cours du même siècle, comme le calife Alhaken II, la culture et tous les arts esthétiques et littéraires ont été considérablement encouragés. Au cours de cette période également, les contacts politiques et culturels avec la grande capitale orientale de Byzance se sont intensifiés.
Alhakem II ajoute douze sections supplémentaires, se rapprochant du cours du Guadalquivir, atteignant la profondeur définitive d'aujourd'hui. Tous les matériaux qui ont été utilisés sont expressément destinés à l'œuvre. Les fûts en marbre rose et bleu sont alternés et des chapiteaux appelés crayons sont fabriqués, ce qui permet une schématisation des ordres classiques. Dans la qibla ou mur final de la construction, se trouve le mihrab ou la niche à laquelle les prières sont adressées. Ce mur, en raison des pressions endurées, a été construit dans une double forme, ce qui a assuré la solidité de la construction. La maqsura, ou espace devant le mihrab, se trouve juste sur ce mur, comme zone principale du complexe monumental. Dans celui-ci, par manque de luminosité, une série de voûtes sont placées qui, grâce à quelques lucarnes, permettent l'éclairage du secteur le plus remarquable du lieu.
Ces voûtes sont formées par des nervures épaisses et larges laissant un espace ouvert entre elles. Cette solution constructive sera plus tard largement utilisée par l'art mudéjar, étant appelée la voûte en arc de calife. La maqsoura est ornée de plinthes sculptées dans du marbre d'origine syrienne et de mosaïques de tesselles vitreuses, donnant à cet espace une couleur particulière semblable à celle des constructions byzantines. L'intérieur du mihrab a un plan octogonal, fermé par une majestueuse coupole en forme de venera.
Troisième agrandissement (987)
Le dernier grand élargissement a été réalisé par le vizir Almanzor à la fin du Xe siècle. La chute imminente du califat est perçue dans la pauvreté des matériaux utilisés dans ce domaine. Compte tenu de l'impossibilité d'une augmentation vers le sud, en raison de la proximité du Guadalquivir, Almanzor a choisi d'ajouter huit navires supplémentaires vers l'est.
