23-letni pomocnik trafił do Realu z São Paulo FC w styczniu 2013 roku, początkowo na zasadzie półrocznego wypożyczenia. Po jego zakończeniu klub zdecydował się na skorzystanie z opcji wykupu. W poprzednim sezonie Brazylijczyk był wypożyczony do FC Porto.
Udane występy w barwach "Smoków" przekonały władze madryckiego klubu do pozostawienia go w drużynie. W obecnych rozgrywkach wziął on udział w jednym spotkaniu (sobotnie spotkanie z Betisem), w którym zaliczył asystę przy golu Garetha Bale.
Nowa umowa Casemiro będzie obowiązywać do 30 czerwca 2021 roku. Poprzednia wygasała wraz z końcem sezonu 2016/2017.