O Real Madrid já mostrado interesse no brasileiro ao desembolsar 7,5 milhões de euros (cerca de R$ 30 milhões) para mantê-lo no clube na negociação com o Porto para seu retorno à Espanha. Destaque no Porto, Casemiro chamou a atenção de outros clubes europeus, mas retornou ao Real em razão das saídas de outros jogadores da mesma posição, como Khedira e Illarramendi.
Revelado pelo São Paulo, o volante brasileiro chegou ao time B do Real Madrid em 2013. Ele ganhou oportunidades na equipe principal, comandada então pelo técnico José Mourinho, e até participou das conquistas da Liga dos Campeões e da Copa do Rei da temporada 2013/2014. No entanto, foi emprestado ao Porto na temporada seguinte.
Ao todo, Casemiro disputou 27 partidas pelo time principal do Real Madrid, sem marcar nenhum gol. Agora, de volta ao clube espanhol, terá a companhia do lateral brasileiro Danilo, além do experiente Marcelo.