Primo ampliamento (821-852)
Abderraman II (822) ampliò la sala di preghiera di otto campate verso sud, con una chiara influenza abbaside nella decorazione, frutto dei contatti politici con il califfato orientale e dell'arrivo di personaggi dall'Oriente nella Penisola. Maometto I dà forma definitiva alla Porta di Santo Stefano (Puerta de San Esteban), di cui non si conosce la vera origine, anche se appare chiara la sua posizione estetica tra l'arte visigota e quella califfale cordovese. All'emiro precedente succedono Al-Mundir e Abd-Allah. Il primo innalza la sala del tesoro, di cui non si conosce l'ubicazione definitiva. Il secondo costruirà un passaggio segreto o sabat che avrebbe unito l'Alcázar califfale con il mihrab.
Secondo ampliamento (X secolo)
Nel 929 Abderraman III si proclama califfo e Cordova diventa la capitale del più grande e influente regno islamico d'Occidente. Il suo unico intervento nella moschea aljama fu un nuovo minareto e l'ampliamento del cortile. Il minareto diventa il primo d'Occidente. Inoltre Abderraman è costretto a rinforzare gli archi che collegano l'oratorio coperto con il cortile delle abluzioni, deformati dalle spinte delle navate. Nella porta principale d'ingresso al tempio dal cortile colloca un grande arco a ferro di cavallo su quello preesistente e costruisce una volta a botte tra i due. Nello stesso secolo, sotto il califfo Alhaken II, furono promosse considerevolmente la cultura e l'insieme delle arti estetiche e letterarie. In quel periodo aumentarono anche i contatti politici e culturali con la grande capitale orientale, Bisanzio.
Alhakem II aggiunge altre dodici campate, avvicinandosi ancora di più al corso del Guadalquivir e raggiungendo la profondità definitiva di oggi. Tutti i materiali utilizzati furono realizzati appositamente per l'opera. Si alternano fusti di marmo rosa e azzurro e si realizzano capitelli detti "de pencas", una schematizzazione degli ordini classici. Nella qibla, o muro di fondo della costruzione, si trova il mihrab, la nicchia verso cui si rivolgono le preghiere. Questo muro, a causa delle pressioni sopportate, fu costruito doppio, il che garantiva la solidità della costruzione. Proprio presso questo muro, come area principale del complesso monumentale, si trova la maqsura, lo spazio davanti al mihrab. Qui, per la mancanza di luce, si collocano una serie di cupole che, grazie ad alcuni lucernari, permettono di illuminare il settore più importante del luogo.
Queste cupole sono formate da grossi e grandi costoloni che lasciano uno spazio aperto tra loro. Questa soluzione costruttiva sarà molto utilizzata in seguito dall'arte mudéjar e prenderà il nome di volta a costoloni califfale. La maqsura è decorata con zoccoli di marmo scolpito ornati con motivi di origine siriana e con mosaici di tessere vitree, che conferiscono a questo spazio un colorito particolare, simile a quello delle costruzioni bizantine. L'interno del mihrab ha pianta ottagonale ed è chiuso da una maestosa cupola a forma di conchiglia.
Terzo ampliamento (987)
L'ultimo grande ampliamento lo realizza il visir Almanzor alla fine del X secolo. L'imminente caduta del califfato si intravede nella povertà dei materiali impiegati in questa zona. Non potendo ampliare verso sud, per la vicinanza del fiume Guadalquivir, Almanzor sceglie di aggiungere altre otto navate in direzione est.