Casemirónak már nyolcvan meccse van a brazil élvonalban, tagja volt a 2011-ben U20-as vb-t nyerő dél-amerikai együttesnek – három góllal vállalt szerepet a győzelemben –, viszont Spanyolországban egyelőre nem az első keretben, hanem a másodosztályú tartalékok között, a Castillában kell bizonyítania. A madridiaknak a nyáron opciós joguk lesz a végleges megszerzésére.
Casemiro Argentína ellen mutatkozott be a felnőttválogatottban 2011 szeptemberében, majd azt követően – szintén csereként – pályára lépett az Egyesült Államok, Dánia, Mexikó és ezidáig utolsóként az örök rivális argentinok ellen. Összesen 41 percet töltött eddig a pályán brazil válogatottként.