Au mois de juillet 1501, quatre ans avant les Espagnols, les Portugais lancent une expédition pour tenter d'accoster sur la plage des Andalouses52. Il faut attendre le débarquement de Mers-el-Kébir, en 1505, pour voir l'Espagne s'engager dans la première expédition organisée contre Oran.
Oran compte alors 6 000 feux, soit environ 25 000 habitants. Au lendemain de sa chute, le 17 mai 1509, Oran est désertée de ses habitants et totalement occupée par les troupes espagnoles. « C'est la plus belle ville au monde », s'écrie le cardinal Jiménez de Cisneros après avoir vu la ville qu'il vient d'annexer pour le compte des Rois Catholiquesa 8. Cette même année, il fait construire sur les ruines de la mosquée Ibn El Beitar l'église Saint-Louis qui domine la vieille ville.
Lampe nasride pillée d'une mosquée d'Oran par les Espagnols.
Francisco Jiménez de Cisneros
Débarquement des Morisques au port d'Oran (1613, Vicente Mestre).
En 1554, le gouverneur comte d'Alcaudete fait alliance avec le sultan marocain Mohammed ech-Cheikh contre les Turcs alors installés à Alger, et parvient à maintenir la présence espagnole.
Les Espagnols procèdent à des travaux de restauration de la forteresse destinée à loger les gouverneurs de la ville. « Les fortifications de la place se composaient d'une enceinte continue, surmontée de fortes tours espacées entre elles, du château proprement dit, ou casbah ». Le gouverneur espagnol « établira son quartier général dans ce donjon »53. Au XVIe siècle, les Espagnols font d’Oran une place forte et construisent une prison sur un éperon rocheux près de la rade de Mers El Kebir, avant que le marquis de Santa Cruz n'entreprenne en 1563 la construction d'un fort à son nom au sommet de l'Aïdour, baptisé Murdjadjo par les nouveaux maîtres de la ville54. En 1568, la ville reçoit la visite de Don Juan d’Autriche.
À partir de 1609, à la suite d'un décret d'expulsion d'Espagne, plusieurs vagues de Morisques débarquent à Oran et beaucoup s'établissent dans les environs55. En 1669 c'est au tour des Juifs, traités d'ennemis de la religion, d'être expulsés des quartiers de Ras El Ain et du Ravin Blanc. Certains s'établissent dans la montagne de La Corniche Supérieure.
Malgré ses fortifications, la ville est l'objet d'incessantes attaques jusqu'au pied même des remparts. En 1707, Moulay Ismaïl, sultan du Maroc ayant tenté d'en forcer la défense du Rocalcazar, voit son armée décimée[réf. nécessaire]. En 1708, le Bey turc Mustapha Ben Youssef annexe la ville qui devient pratiquement déserte. Les Espagnols la récupèrent en 1732. Oran retrouve alors pour quelques années une croissance continue qui l'oblige à se développer hors de ses murs. Les remparts sont peu à peu démolis. En 1770, Oran compte 532 maisons particulières et 42 édifices, une population de 2 317 personnes plus 2 821 déportés libres qui vivent du négoce. Entre 1780 et 1783,Charles III d'Espagne propose à l’Angleterre d’échanger Oran contre Gibraltar. Mais en 1790 un tremblement de terre et l'incendie qui s'ensuit font plus de 3 000 victimes et détruisent complètement la ville.
La ville est devenue trop périlleuse et trop onéreuse à reconstruire et à défendre pour le roi d'Espagne Charles IV ; il entame des discussions de plus d'un an avec le Dey d'Alger pour la lui céder. Après un long siège et un nouveau tremblement[réf. nécessaire] de terre qui désorganise les défenses espagnoles, un traité est signé le 12 septembre 1791 et les Espagnols évacuèrent la ville l'année suivante. Le Bey de Mascara Mohamed Ben Othman, dit Mohamed El Kébir, prend possession d'Oran.