Народився 23 лютого1992 року в місті Сан-Жозе-дус-Кампус. Вихованець футбольної школи клубу «Сан-Паулу». У віці 11 років став капітаном юнацької складу клубу. Дорослу футбольну кар'єру розпочав 2010 року в основній команді того ж клубу. Перша його гра відбулася наприкінці липня в матчі проти бразильського клубу «Сантус», яка завершшилась поразкою команди Каземіро. Перший професійний гол був забитий ним у серпні 2010 року у ворота «Крузейру». 2012 року допоміг команді виграти Південноамериканський кубок, який став першим для команди. Всього за три сезони молодий гравець встиг узяти участь у 62 іграх за «Сан-Паулу» та забити шість голів.
У січні 2013 року хавбек на правах оренди перейшов у мадридський «Реал». Протягом усього періоду оренди Каземіро знаходився в розташуванні другої команди «Реала», провівщи в Сегунді 15 зустрічей та відзначившись одним голом. Проте 20 квітня йому надали можливість дебютувати в основній команді мадридців у матчі проти «Реал Бетіса», виграному з рахунком 2:1. Цей матч став для нього єдиним за королівський клуб того сезону.
Улітку 2013 року «Реал Мадрид» за 6 мільйонів євро викупив Каземіро в «Сан-Паулу» та підписав угоду з бразильцем на чотири роки. У першому ж повному сезоні за королівський клуб став з командою володарем Кубка Іспанії та переможцем Ліги чемпіонів УЄФА, проте основним гравцем «вершкових» не був, зігравши за сезон лише 25 матчів, з них 12 — у чемпіонаті, 7 — у кубку і 6 — у Лізі чемпіонів.
19 липня 2014 року був відданий на один сезон в оренду до португальського «Порту», після чого повернувся до мадридського клубу. Став автором переможного голу у фінального матчу Ліги чемпіонів 2016—2017 (щоправда, за допомогою рикошету від Самі Хедіри), який відбувся 3 червня 2017 в Кардіффі[3]. Настурпного року повністю відіграв фінальний матчЛіги чемпіонів 2017—2018 у Києві, здобувши свій четвертий титул переможця найпрестижнішого клубного турніру «старого світу».
2009 року дебютував у складі юнацької збірної Бразилії, взяв участь у трьох іграх на юнацькому рівні та допоміг команді стати юніорським чемпіоном Південної Америки 2009 року. Також брав участь в юніорському чемпіонаті світу, де його збірна не змогла вийти з групи.
В наступному нерегулярно отримував виклики до національної команди. На Кубку Америки 2015 року був невикористаним запасним гравцем, на «Столітньому» Кубку Америки наступного року заніс до активу вже два зіграні матчі. Регулярним гравцем стартового складу збірної Бразилії став вже по ходу відбору на ЧС-2018.
У травні 2018 року був включений до заявки збірної Бразилії для участі у фінальній частині тогорічного чемпіонату світу.