Latem 2013 Real Madryt zdecydował się wykupić piłkarza. Casemiro podpisał czteroletni kontrakt z hiszpańskim klubem. Królewscy skorzystali z klauzuli zawartej w trakcji wypożyczenie Brazylijczyka. Włodarze klubu przeznaczyli na jego transfer 5,3 miliona euro. 24 maja 2014 roku Brazylijczyk zdobył z zespołem ze stolicy Hiszpanii Ligę Mistrzów.
Latem 2014 Casemiro został wypożyczony na rok do FC Porto. W 28 meczach dla portugalskiej drużyny zdobył 3 bramki i zanotował 2 asysty.
W 2015 Brazylijczyk powrócił do drużyny Rafaela Beniteza. Nie był zawodnikiem wyjściowego składu, jednak dostawał sporadyczne szanse do gry. W styczniu 2016 po odejściu z klubu Beniteza i po zatrudnieniu Zinédine’a Zidane’a Casemiro dostawał znacznie więcej szans na pokazanie się na boisku, a pod koniec sezonu został już kluczowym zawodnikiem w układance Francuza. 28 maja 2016 zdobył swój drugi z zespołem Królewskich puchar Ligi Mistrzów UEFA. W sezonie 2016/17 Ligi Mistrzów wygrał swój trzeci puchar tych rozgrywek a w finale strzelił bramkę.