La première extension (821-852)
Abderraman II (822) amplifia la salle des prières et prolongea la mosquée de huit travées vers le sud., avec une claire influence abbasi dans la décoration, fruit des contacts poliiques avec le califat oriental et l'arrivée de personnages d'Orient. Mohamed I donnera la forme définitive à la porte de San Esteban, nous déconnaissons sa véritable origine, si ce n'est qu'apparait clairement le côté esthétique de l'art visigoth et du califat de Cordoue. Puis succèdent à l'ancien émir Al mundir et Abd-Allah.Le premier éleva la salle du trésor, dont nous ne connaissons pas l'emplacement définitif. Le second construisit un passage secret ou "sabat" qui devait unir l'Acázar califal et le mihrab.
Seconde extension (siglo X)
En 929, Abderraman III se proclame calife, Cordoue devint la capitale la pls importante du règne islamique d'Occident. L'unique intervention de Alhama fut le nouveau minaret et l'extension du patio. Le minaret devint le premier minaret d'Occident. Abderraman se vit obligé de renforcer les arches qui communicaient entre la salle ds prières et et le pation des ablutions, déformé par les poussées des nefs. Dans la porte principale d'entrée au temple depuis le patio il ajouta un grand arc en forme de fer à cheval sur l'existant et construisit une coupole. Durant le même siècle, Alhaken devint calife, et c'est à cette époque que se diffusa la culture, la culture des arts, la culture littéraire. C'est également durant cette même époque que se construisirent les bases des contacts politiques et culturelles avec la grande capitale orintale de Bizance.
Alhakem II ajouta douze nefs de plus à la Mosquée, s'approchant ainsi du cours du Gualdaquivir, atteignant sa taille définitive connue d'aujourd'hui. Les fûts de marbre rose alternent avec ceux de marbre bleu, se réalisent également des chapiteaux dénommés "pencas", donnant le résultat d'une schématisation d'ordre plus classique. Dans la quibla ou dernier mur de la construction se trouve la maqsura ou espace face à la mihrab ou niche dédiée aux prières. Dans cette partie, faute de luminosité on ajouta une série de coupoles qui grâce à des lucarnes permitirent à la lumière de mettre en valeur cet endroit.
Ces coupoles étaient formées de grandes et grosses nervures laissant un espace ouvert entre elles. Cette solution de construction sera très utilisée ultérieurement dans l'art mudéjar. La maqsura était décorée avec des mosaïques faites de marbre et de motifs d'origine syrienne et de mosaïques polies, dotant cet endroit de couleurs similaires aux constructions byzantines. L'intérieur du mihrab est de forme octogonale, fermé par une majestueuse coupole.
Troisième extension (987)
La dernière grande extension a été menée par le vizir Almanzor vers la fin du X siècle. L'imminence de la chute du califat se dénota dans la pauvreté des matériaux utilisés. Devant l'impossibilité d'agrandir vers le sud, à cause de la proximité du Gualdaquivir, Almanzor opta pour l'ajout de huit nefs en direction de l'est.
