حرِص ملوك المملكة العربية السعودية، منذ تولي الملك المؤسس عبدالعزيز بن عبدالرحمن آل سعود الحكم، على العناية بالحرمين الشريفين، وشهد المسجد النبوي مجموعة من أعمال التوسعات الكبرى، شملت عمارة المسجد النبوي، وزيادة عدد الأبواب وعدد المآذن، وضم المناطق المحيطة بالمسجد، وتطوير الساحات وتظليلها بمظلات كهربائية، وزيادة مرافق الخدمة. وشهد المسجد ثلاث توسعات ضمن التسلسل الزمني الآتي:

1368هـ/1949م

إعلان التوسعة السعودية الأولى في عهد الملك عبدالعزيز بن عبدالرحمن آل سعود، بدأت بشراء الأبنية المحيطة بالحرم وهدمها، وإضافة 6,024م2، ليصبح إجمالي مساحة الحرم النبوي نحو 16,548م2.

1375هـ/1956م

استكمال عملية التوسعة والتطوير في عهد الملك سعود بن عبدالعزيز آل سعود، بإزالة ثلاث مآذن لأعمال التوسعة، وتشييد مئذنتين جديدتين، ليصبح المسجد بأربع مآذن، وزاد عدد الأبواب ليصل إلى عشرة أبواب، وتكوّن المسجد حينها من مبنى خرساني، بأسقف خشب مزخرفة، وأرضية من الرخام.

1395هـ/1975م

أصدر الملك فيصل بن عبدالعزيز آل سعود أمرًا بهدم المباني غرب المسجد لتهيئتها للصلاة، وإنشاء مصلى مظلل بمساحة تبلغ 40,550م2، يحوي 80 مظلة.

1397هـ/1977م

في عهد الملك خالد بن عبدالعزيز آل سعود، أضيفت أرض سوق القماشة -بعد تعرضه لحريق- لمساحة المسجد، إذ أضيف 43 ألف م2، وهو ميدان واسع مظلل، خصص جزء منه لمواقف السـيارات.

1405هـ/1985م

بدء التوسعة السعودية الثانية للمسجد النبوي بأمر من الملك فهد بن عبدالعزيز آل سعود، شملت الجهات الشرقية والغربية والشمالية للمسجد، وذلك بإضافة مساحة 82,000م2، وعمل ساحات تحيط بالمسجد، بإجمالي مساحة 23,500م2، وبذلك تصبح المساحة الإجمالية للمسجد النبوي الشريف 98,500م2، لتبلغ الطاقة الاستيعابية للمصلين أكثر من 650,000 مصلٍّ، ونحو مليون مصلٍّ في أوقات الذروة. وزاد عدد مداخل المسجد النبوي إلى 41 مدخلًا، وأضيفت ست مآذن، ليبلغ مجموعها عشر مآذن.

 1433هـ/2012م

انطلاق التوسعة السعودية الثالثة، التي أمر بها الملك عبدالله بن عبدالعزيز آل سعود، وتعد أكبر توسعة يشهدها المسجد النبوي، وهي على ثلاث مراحل، تتسع المرحلة الأولى من التوسعة لما يزيد على 800 ألف مصلٍ، وتشمل المرحلتان الثانية والثالثة توسعة ساحات الحرم، لتتسع لـ800 ألف مصلٍ أيضًا.

1436هـ/2015م

- استكمال التوسعة السعودية الثالثة في عهد خادم الحرمين الشريفين الملك سلمان بن عبدالعزيز آل سعود، وتوسعة الساحات الغربية للمسجد النبوي لتستوعب قُرابة 80 ألف مصلٍ.

- وجه خادم الحرمين الشريفين بإضافة 68 مظلة في الساحات الشرقية ليصل عددها إلى 250 مظلة، وتغطي هذه المظلات مساحة 143 ألف متر مربع من الساحات المحيطة بالمسجد من جهاته الأربع.

- وجه الملك سلمان بن عبدالعزيز باستكمال مشروع توسعة المسجد النبوي والمنطقة المركزية والعناصر المرتبطة بها، ومنها توسعة مسجد قباء، وتطوير المنطقة المُحيطة به. 

1438هـ/2017م

استكمال بقية مراحل مشروع التوسعة على مساحة 1,020,500م2 بالبناء المسقوف والساحات، وكذلك تنفيذ ‏المبنى الإضافي من الجهة الشرقية ‏على مساحة 82,000م2، بالإضافة إلى تركيب السلالم الكهربائية، والمصاعد الكهربائية لخدمة كبار السن، وذوي الاحتياجات الخاصة، لتقديم ‏خدمات مميزة لقاصدي الحرمين الشريفين وفق رؤية السعودية 2030.