Det påfølgende året invaderte han Portugal og erobret regionen Algarve. Kong Afonso III av Portugal måtte overgi seg, men klarte å oppnå en avtale hvor han gikk med på å gifte seg med Alfonso Xs datter Beatrice av Castilla og hvor det land som ble erobret skulle bli gitt tilbake til deres mannlig arving ved dennes sjuårsdag. Bryllupet ble feiret i 1253. Da de muslimske mudéjarene gjorde opprør i 1264 søkte Alfonso hjelp hos sin portugisiske svigersønn, og ga makten over Algarve tilbake i bytte for femti riddere. Etter at mudéjarene var slått tilbake gikk han i 1267 med på å avstå Algarve. Han fortsatte dog å kalle seg for «konge av Algarve», men det kan reflektere en konservativ praksis framfor å opprettholde gammelt krav på området. I det lange løp oppnådde han en verdifull allianse langs den vestlige grensen.