Esta última ampliación se ve motivada por el aumento demográfico de la ciudad y la llegada de un gran número de tropas del norte de África, para reforzar el ejército califal, por lo que en el año 987 se comienzan las obras de ampliación de ocho nuevas naves laterales, quedando desplazado el mihrab del eje central; la capacidad queda ampliada a 30.000 feligreses.
La proximidad del Guadalquivir, al sur, y el Palacio Califal al oeste, obligan a realizar la ampliación derribando el muro oriental de la mezquita, abriendo grandes arcos de herradura para comunicar todo el liwan y conservando partes del muro original, algunos de ellos utilizados hoy como altares cristianos.
En la actualidad son visibles restos del muro exterior de al-Hakam, apreciándose restos de la decoración de las puertas este de la segunda ampliación.
Esta ampliación, realizada entre los años 987 y 990, se inicia a la vez en dos direcciones (N‑S y S‑N), y para finalizar antes se hace con gran rapidez no aportando nada nuevo ni peculiar a la Aljama. Por primera vez trabajaran en el interior de este recinto sagrado musulmán, esclavos de guerra y cristianos cautivos.
Las columnas, sin basa vista, son de color gris con mechas blancas, soportan un capitel corintio compuesto, sin labrar, el cimaceo presenta forma de cruz; en los arcos ya no se combina el ladrillo y la piedra, son de este material y se pinta de rojo imitando el ladrillo.
En el primer tramo transversal de la ampliación, junto al Patio de los Naranjos, vemos cómo los arcos son trebolados, la causa es la presencia en el lugar del muro norte y de su refuerzo, lo cual disminuye el espacio a recorrer por dichos arcos. Igualmente, se da en este lugar la primera utilización de ojivas túmidas que hicieron los musulmanes.
En la zona de esta última ampliación, lindando con la primitiva Mezquita, se han realizado excavaciones en donde han aparecido restos de una calle romana, así como de la sala de abluciones de Hixem I, de la que han aparecido las fuentes y habitaciones con letrinas que drenaban a una cloaca. Esta zona es fácilmente identificable, pues tras finalizar las investigaciones arqueológicas se instaló un suelo de madera con rejas.
Al trabajar para la mezquita artesanos cristianos, estos disimulan en la decoración de algunos capiteles representaciones de la simbología cristiana, como el pez, la paloma o el ancla; encontrándose otros con gráficas árabes.
Lo innovador de esta construcción no es apreciable a simple vista, los fustes de las columnas descansan sobre losas de mármol o piedra, las cuales se asientan en un lecho de argamasa de cal; entre el fuste y esta losa se encuentra una pieza cilíndrica y entre el fuste y el capitel se puso un disco de plomo para dar una mayor amortiguación a la unión de ambas piezas.
De la ampliación de Almanzor o Hixem I hay que recordar que son también el aljibe subterráneo del Patio de los Naranjos y la Sala de abluciones que se localizó en 1.998 en el solar frente a la Puerta del Sagrario.
Una peculiaridad se puede encontrar en esta zona, si nos colocamos en el tras altar del la Catedral, algo desplazados hacia el Patio de los Naranjos, podemos comprobar como tres filas de columnas, incluyendo la que hace línea con las rejas de las capillas, en el espacio de dos arcadas, posee tres, con arcos polilobulados y ojivales, no habiendo podido encontrar documentación que informe del motivo.
En esta ampliación aún perduran las cubiertas de yesería, con la que fue cubierto el templo en el periodo barroco, hoy muchas ya desmontadas.
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