Al-Hakam II siguió el mismo planteamiento realizado por ‘Abd al-Rahman II en el siglo IX para aumentar el edificio, ya que derribó el anterior muro de la alquibla y alargó hacia el sur las naves en casi cuarenta metros. Aunque básicamente se observa la misma estructura de las arquerías ya existentes, serán muchas las novedades introducidas. Llamará la atención la utilización de grandes pantallas de arcos entrecruzados, que constituyen verdaderos muros colgados que funcionan como soporte de las cúpulas erigidas en las partes más nobles de la ampliación. Destaca sobremanera la riqueza decorativa de toda esta parte del edificio, por la decoración vegetal, geométrica y epigráfica que aparece en arcos, zócalos e impostas, por el empleo de ricos mosaicos bizantinos que exornan toda la zona del mihrab, por la utilización de arcos polilobulados, por el uso de la pintura decorativa, por la exuberancia ornamental de la techumbre de madera, de la que se encontraron piezas originales y que, aunque renovada, repite los modelos antiguos, ya que se encontraron partes originales, etcétera. Especial protagonismo adquieren las cúpulas de arcos entrecruzados en la ampliación de al-Hakam II, cuya introducción no cabe duda de que va más allá de lo puramente decorativo, ya que siempre aparecen en ámbitos vinculados con lo sagrado y el poder.

Respecto a lo que sucedió en las etapas anteriores del edificio, ahora apenas se recurre a la utilización de materiales de acarreo tomados de construcciones anteriores puesto que los talleres califales fueron capaces de elaborar todas las piezas necesarias. Aparecen los famosos capiteles de pencas, capiteles que han sufrido un proceso de abstracción y esquematización respecto a los del mundo romano y visigodo.

La ampliación de al-Hakam II constituye en sí misma una mezquita dentro de la totalidad del edificio, era la culminación del arte omeya en España y la expresión del esplendor del poder del califato frente a las etapas previas de época emiral.