Wie bei vielen historischen Gebäuden ist ihre heutige Erscheinung das Ergebnis eines langen Bauprozesses. Bis ins 10. Jh. wurde die Moschee wegen der stetig steigenden Anzahl der Moscheegänger immer wieder erweitert und umgestaltet. Zu diesem Zeitpunkt erreichte die Moschee 23.000 m² und gehört damit immer noch zu den größten Sakralbauwerken der Welt.
Nach der Reconquista im 13. Jh. wurde die Moschee zur Kathedrale geweiht und mit Kapellen versehen. Im frühen 16. Jh. wurden im Zuge dieser Umgestaltungen schließlich Teile der antiken Säulenreihen entfernt und ein Kirchengebäude in die Gebetshalle integriert.