2013년 1월 말, 카제미루는 스페인의 레알 마드리드로 임대되어 세군다 디비시온에 속한 B팀의 일원이 되었다.[7] 그는 2월 16일, 1-3으로 패한 사바델과의 경기에서 첫 공식전에 나갔다.[8]
2013년 4월 20일, 카제미루는 3-1로 이긴 레알 베티스와의 홈 경기를 90분 소화하며 라 리가 데뷔전을 치렀다.[9] 6월 2일, 그는 유럽 무대에서 첫 골을 넣었는데, 알프레도 디 스테파노 경기장에서 열린 알코르콘과의 경기에서 선제골을 넣어 4-0 승리에 일조했다.[10] 8일 후, 그는 마드리드로 둥지를 완전히 옮겼는데, 그는 18.738M BRL에 4년 계약을 체결했다.[11][12][13]
2015년 6월 5일, 카제미루는 인수 조항을 통해 레알 마드리드에 복귀하였고,[17] 두 달 후에는 계약 기간을 2021년까지 늘렸다.[18] 이듬해 3월 13일, 그는 2-1로 이긴 라스 팔마스와의 경기에서 헤세의 코너킥을 이용해 머랭 (Merengues) 소속으로서의 공식 경기 첫 골을 넣었다.[19]
라파 베니테스 밑에서 중용되지 못하다가 지네딘 지단의 부임 이후로 주전 선수로 낙점되어 수비력이 부족한 레알 마드리드의 중원진을 견고하게 만들며 결국 운데시마를 달성하는 데 크게 공헌했다.
2016-17 시즌
시즌 초, 리그 4R 경기에서 입은 부상으로 한동안 나오지 못한다. 레알 마드리드가 11월 경기 일정상 아틀레티코 마드리드, FC 바르셀로나 등 강팀과의 경기들을 앞두고 있는 만큼, 카제미루와 루카 모드리치의 복귀를 염원하고 있다. 특히나 카제미루의 경우, 지네딘 지단의 전술에서 핵심적인 역할을 맡아줘야 하기 때문에 더욱 그렇다. 카제미루가 없는 동안 레알 마드리드의 경기 실점률이 매우 높고, 토니 크로스가 1차 저지선 역할, 패스 활로 개척, 볼 전개까지 너무 많은 역할을 홀로 맡는 동시에 매 경기 풀타임을 소화하고 있는데, 카제미루가 복귀한다면 지금 이러한 문제 대부분이 해결될 뿐 아니라 수비 안정 측면에서 강팀과의 경기에 매우 유리한 카드로 작용할 수 있을 것이라는 예측이다.
그렇게 엘클라시코를 앞두고 코파 델 레이 경기에서 복귀전을 가졌고, 엘클라시코에서는 후반전에 교체 출전하여 경기 종료 직전에 엄청난 수비로 볼을 걷어내 팀의 패배를 막았다. 하지만 부상 복귀 후의 폼은 그다지 좋지 못하다. 데포르티보 전에서는 실점의 빌미를 제공했으며, FIFA 클럽 월드컵에서도 부진을 면치 못했다. 1월 들어서도 코파 델 레이에서 부진한 경기력을 보여주었다. 그렇게 두 달 가까이 아쉬운 모습을 보였다.
그런데 2월 중순 SSC 나폴리와의 UEFA 챔피언스 리그 16강 1차전 경기에서 2-1로 리드하던 상황에서 환상적인 하프 발리슛으로 득점을 기록하면서 3-1 승리에 기여했다. 이 경기를 기점으로 카제미루의 경기력이 올라오게 된다. 28R 아틀레틱 빌바오 전에서는 카림 벤제마의 선제골의 기점이 되었고, 이후 결승골을 기록하며 2-1 승리의 주역이 되었다. 이어서 챔피언스 리그 8강 2차전 FC 바이에른 뮌헨 전에서는 도움을 한 차례 기록하는 등 준수한 활약을 펼쳤으며, 33R 엘클라시코에서는 팀이 2-3으로 졌지만 선제골을 넣기도 했다.
34R 데포르티보 원정에서는 다시 한 번 강력한 중거리 슈팅으로 득점을 기록하면서 5-2 승리에 기여했으며, 챔피언스리그 4강 1차전 아틀레티코 마드리드 전에서는 크리스티아누 호날두의 선제골을 어시스트하며 3-0 승리에 보탬이 되었다. 그렇게 팀은 챔피언스리그 결승전 진출에 성공했고, 라리가에서는 11-12 시즌 이후 첫 우승을 차지했다. 카제미루는 커리어 첫 라리가 우승이다. 그리고 시즌 마지막 경기였던 챔피언스리그 결승 유벤투스 FC 전에서도 선발출전하여 1-1 동점 상황에서 중거리 슈팅으로 결승골을 터뜨리며 4-1 승리와 우승을 이끌었다. 그렇게 2시즌 연속 챔피언스리그 우승 및 시즌 더블을 달성했다.
맨체스터 유나이티드
2022-23 시즌을 앞두고 9년 간 몸 담은 레알 마드리드를 떠나 맨유로 이적하였고, 등번호 18번을 받았다. 그 후, 크리스티안 에릭센과 같이 맨유의 중원을 담당하여 카세미루가 출전한 10경기에서 성적은 6승 3무 1패를 기록, 승률이 60%에 달하였다.
그는 2021년 6월 9일 2021년 코파 아메리카 대표팀에 이름을 올렸다.[30] 6월 23일 브라질의 조별 리그 3차전에서, 그는 네이마르의 코너킥에 이어 결승골을 넣어 팀이 콜롬비아를 2-1로 물리치도록 도왔다.[31] 7월 10일, 그는 라이벌 아르헨티나와의 결승전에서 1-0으로 패한 경기에서 선발로 출전했다.[32]
