[22]​[26]​ Otra fuente del siglo X menciona una iglesia que se levantó en el centro de la mezquita, sin dar muchos más detalles.

[32]​ La historiadora del arte Rose Walker ha criticado que Pedro Marfil se basa en interpretaciones personales.

Esta última fue conocida como Bab al-Wuzara' (la puerta de los Visires, hoy conocida como puerta de San Esteban) y es probable que fuera la entrada usada por el emir y los oficiales estatales, que trabajaban en el Alcázar andalusí contiguo.

El mihrab original de la mezquita no se conserva aunque es probable que sus restos fuesen encontrados en las excavaciones entre 1932 y 1936; estos restos muestran que la parte superior del mihrab tenía forma de concha, similar al posterior.

Las obras comenzaron en 836 (aunque también se citan los años 833 y 848), acabándose en el 852, bajo mandato ya del hijo de Abderramán II, Muhammad I (r.

También este emir llevó a cabo una intervención en el patio, cerrándolo con saqqifas en los laterales que faltaban.

[43]​ Abderramán también reforzó el muro norte del patio añadiendo otra fachada frente a la antigua.

Coincidiendo con el esplendor del califato, Alhakén II (r. 961-976), que participó en los proyectos arquitectónicos de su padre, comenzó durante su reinado en 961 la ampliación más innovadora.

Alhakén II también subvencionó la construcción de un nuevo mimbar (púlpito) en 965, cuyas obras se demoraron cinco o siete años.

Ibn Idari, por ejemplo, indica que Alhakén tenía dos mimbares en esta época, y quizás uno de ellos fuese destruido o reemplazado.

No obstante, el mimbar que se asoció con la mezquita fue destacado por varios escritores por su gran artesanía.

Aunque se dice que las fundió para realizar lámparas de techo[37]​ las campanas fueron recuperadas por Fernando III en 1238 y regresadas a Santiago.

Como resultado de este pillaje y el anterior durante la fitna, la mezquita perdió todo su mobiliario valioso.

[49]​ El minarete de la mezquita se convirtió en un campanario para la catedral, con pequeñas alteraciones como una cruz en la cima.

En aquel tiempo, los artistas mudéjares eran muy cotizados e incluso tenían el monopolio de su arte en algunas ciudades castellanas como Burgos.

[40]​[54]​[57]​ La mayor ruptura estilística del edificio islámico se produjo durante el siglo XVI, cuando en el centro de la antigua mezquita se levantó una gran nave cristiana, conformando la nueva capilla mayor, bajo los auspicios artísticos y arquitectónicos del Renacimiento; esto supuso un quiebre total de los postulados espaciales islámicos.

[50]​ Antes de su muerte en 1547[60]​ construyó las paredes del coro hasta los ventanales y las bóvedas góticas en la zona sur, así como trabajó en el área oriental del edificio, la correspondiente a la ampliación de Almanzor, añadiendo bóvedas góticas a las naves islámicas.

[50]​[12]​ En 1589 una gran tormenta (o terremoto)[56]​ causó daños en el antiguo minarete, entonces campanario, por lo que se decidió remodelarlo y reforzar la torre.

[50]​ Otras restauraciones han continuado con algunas capillas y puertas exteriores durante la segunda década del siglo XXI.

[37]​[41]​ Tras la conquista cristiana en 1236, se añadieron unas campanas para llamar al rezo católico, por lo que el minarete apenas sufrió transformaciones en los siguientes siglos.

Sin embargo, una gran tormenta en 1589 hizo que unos años después, en 1593,[50]​se presentara el nuevo proyecto de torre campanario a cargo del arquitecto Hernán Ruiz III.

[74]​ Su muro sur, que comunica al patio con el interior del templo, está formado por 17 arcos de herradura.

Todos los arcos al este de la puerta fueron tapiados tras la conquista cristiana para alojar en ellos múltiples capillas.

Saliendo del coro pueden verse las capillas que rodean a la nave; girando a la derecha se encuentra en primer lugar la lauda sepulcral de los Cinco Obispos, ejecutada en 1554 y realizada en mármol según el deseo del obispo Leopoldo de Austria.

El retablo de la capilla Mayor comenzó su construcción en 1618 y fue diseñado en estilo manierista por Alonso Matías.

[62]​[100]​ La sillería del coro, localizada frente al retablo mayor, fue realizado por Pedro Duque Cornejo entre 1748 y 1757.

En el centro del conjunto en la zona occidental se encuentra una gran trono episcopal, encargado en 1752, con un parecido al diseño de un altar.

Se trata del primer mihrab que da paso a un pequeño habitáculo en vez de albergar un nicho en la pared.

El mihrab está rodeado por un alfiz con decoraciones muy parecidas a los primeros diseños de la mezquita como los visibles en la Bab al-Wuzara, conocida actualmente como puerta de San Esteban; asimismo, sobre el alfiz, se encuentran más arcos polilobulados ciegos.

[103]​ Los investigadores afirman que el estilo de los mosaicos del mihrab se vio fuertemente influenciada por los mosaicos bizantinos, evento corroborado por las fuentes históricas que describen cómo el califa al-Hakam II requirió expertos mosaiquistas al emperador bizantino Nicéforo II (r. 963-969), quien aceptó enviar algunos artesanos a Córdoba.