Casemiro gia nhập Real Madrid vào tháng 1/2013. Kể từ thời điểm ấy, tiền vệ người Brazil đã ngày càng tiến bộ và trở thành cái tên không thể thay thế nơi tuyến giữa, góp công lớn vào chiến tích 4 lần vô địch UEFA Champions League của Los Blancos. Tổng cộng, anh đã có 204 lần ra sân cùng Real Madrid và ghi được 20 bàn thắng.

Casemiro trong màu áo Real Madrid.
Trước khi trở thành ngôi sao hàng đầu tại Santiago Bernabeu, Casemiro từng được đội bóng Hoàng gia Tây Ban Nha gửi đến Porto theo dạng cho mượn vào mùa giải 2014 – 2015. Tuy nhiên, mới đây, tiền vệ người Brazil đã tiết lộ rằng anh đã ở rất gần Inter Milan vào thời điểm ấy. Trả lời phỏng vấn với Movistar Deportes, chàng trai 27 tuổi cho biết:
“Tôi đã có cơ hội để gia nhập Inter Milan và Sevilla. Lopetegui đã gọi điện thoại và thuyết phục tôi đến Porto. Đó là quyết định tốt nhất của cuộc đời tôi. Lopetegui là 1 HLV tuyệt vời. Ông ấy giúp đỡ tôi rất nhiều và đã cho tôi chơi những trận đấu quan trọng. Khi trở lại Real Madrid, tôi đã có nhiều kinh nghiệm hơn. Tôi dường như đã trở thành 1 cầu thủ khác với quá khứ vì đã được chơi ở Champions League.”
Hiện tại, Casemiro đang cùng Real Madrid chinh phục những mục tiêu trong mùa giải này. Với 5 chiến thắng và 3 trận hòa, Los Blancos đang dẫn đầu bảng xếp hạng La Liga. Tuy nhiên, họ đang gặp khó khăn tại UEFA Champions League vì mới có được 1 điểm sau 2 lượt trận.