El patio de los Naranjos está situado en la parte norte del templo. Tiene su origen en el patio de abluciones de la mezquita de Abderramán I, aunque también se utilizó para impartir enseñanza y realizar juicios. Fue posteriormente ampliado y reformado durante las siguientes etapas constructivas. El primer testimonio cristiano se ubica en 1263, cuando la familia Gómez de Alcázar solicitó albergar un sepulcro en «la claustra de Santa María». Fue bajo el mandato del obispo Martín Fernández de Angulo (1510-16) cuando Hernán Ruiz I remodeló las tres galerías realizadas por el emir Hisham I en el siglo viii, que fueron divididas en tramos de tres arcos peraltados, mientras que los capiteles fueron reutilizados en su mayoría de los existentes islámicos.
Las primeras referencias a la presencia de naranjos se remonta a 1512, aunque se desconoce el número y la distribución, mientras que en el siglo xvii se encuentran referencias de 80 naranjos, 12 cipreses, tres palmeras y un olivo. El diseño actual de los jardines y la disposición en hileras de los árboles es el resultado de un trabajo llevado a cabo por el obispo Francisco de Reynoso entre 1597 y 1601.
Se trata de un recinto cerrado de 130 metros de largo por 50 de ancho. Sus lados occidental, septentrional y oriental se hallan rodeados de galerías porticadas y cuentan con seis puertas que comunican al patio con el exterior: la puerta de los Deanes y el postigo de la Leche en su lado oeste; la puerta del Perdón y la del Caño Gordo al norte; y la puerta de la Grada Redonda y la de Santa Catalina al este. En estas galerías se hayan expuestas las vigas y tablones que conformaban el artesonado original del templo, procedentes de la restauración del siglo xix. Su estado de conservación, relativamente bueno al ser todavía visibles los relieves que las decoraban y parte de la policromía original, motivaron su retirada para una mejor conservación y sirvieron de modelo para la realización de las que actualmente se ven.
Su muro sur, que comunica al patio con el interior del templo, está formado por 17 arcos de herradura. Estos arcos se encontraban originariamente abiertos, haciendo de la sala de oración un espacio abierto. Hoy en día solo uno de ellos, la puerta de las Palmas, comunica con el patio. Todos los arcos al este de la puerta fueron tapiados tras la conquista cristiana para alojar en ellos múltiples capillas. Por el contrario, los arcos al oeste de la puerta se hallan cerrados por celosías de estilo arábigo construidas en 1974 por el arquitecto Rafael de la Hoz Arderius y Víctor Ángel Caballero Ungría.