W 2013 roku Real Madryt kupił Casemiro za zaledwie 6 mln euro. Transfer okazał się świetną inwestycją, ponieważ Brazylijczyk do dzisiaj jest kluczową postacią Królewskich. Dobił do granicy 250 meczów w barwach Realu, w których strzelił 24 gole i dorzucił 29 asyst. Z Realem czterokrotnie sięgnął po Ligę Mistrzów oraz dwukrotnie był mistrzem Hiszpanii.