En el año 929, Abderraman III se proclama califa, pasando a ser Córdoba la capital del mayor y más influyente reino islámico de occidente. La única intervención de la Alhama fue un nuevo alminar y la ampliación del patio. El alminar se convierte en el primero de occidente. Así mismo Abderraman se ve obligado a reforzar los arcos que comunican el oratorio cubierto con el patio de las abluciones, deformado por los empujes de las naves. En la puerta principal de entrada al templo desde el patio coloca un gran arco de herradura sobre el preexistente y construye una bóveda de cañón entre ambos. En el mismo siglo, siendo califa Alhaken II, se fomentó considerablemente la cultura y el conjunto de las artes estéticas y literarias. Así mismo durante ese periodo se incrementaron los contactos políticos y culturales con la gran capital oriental de Bizancio.

Alhakem II añade doce tramos más, aproximándose aún más hacia el curso del Guadalquivir, alcanzando la definitiva profundidad de hoy día. Todos los materiales que se utilizaron son ex profeso para la obra. Se alternan fustes de mármol rosado y azules y se realizan capiteles denominados de pencas, resultando ser una esquematización de los órdenes clásicos. En la qibla o muro final de la construcción, se encuentra el mihrab o nicho al que se dirigen las oraciones. Dicho muro, debido a las presiones soportadas, se construyó de forma doble, lo que aseguraba la solidez de la construcción. Justo en dicho muro, cómo área principal del conjunto monumental, se encuentra la maqsura, o espacio frente al mihrab. En él, debido a la falta de luminosidad, se colocan una serie de bóvedas que, gracias a unos lucernarios, permiten la iluminación del sector más sobresaliente del lugar.

Estas bóvedas están formadas por gruesos y grandes nervios dejando un espacio abierto entre ellos. Esta solución constructiva será muy utilizada posteriormente por el arte mudéjar, denominándose bóveda de nervios califal. La maqsura está decorada con zócalos labrados en mármol ornamentados con motivos de origen sirio y con mosaicos de teselas vítreas, dotando a este espacio de un especial colorido similar a las construcciones bizantinas. El interior del mihrab es de planta octogonal, cerrado por una majestuosa cúpula en forma de venera.