皇家马德里
2015年6月5日，卡塞米罗回到了皇马，皇马激活了他的回购条款，两个月后，他的合同被延长到了2021年。次年3月13日，他在2-1战胜拉斯帕尔马斯体育联盟的比赛中，在第89分钟将赫塞开出的角球打进了他的第一个比赛进球。
在贝尼特斯手下，卡塞米罗大多是后备球员，在齐达内手下，他成为首发球员，并在冠军联赛出场11次。对阵马德里竞技的决赛中，他打满120分钟，皇马在1-1平局后通过点球大战赢得了他们的第11个冠军。
在2016-17赛季，卡塞米罗在25场比赛中打进4球，帮助球队五年来首次赢得联赛冠军。随后他在对阵尤文图斯俱乐部的欧冠决赛中打进一记远射，帮助球队以4-1的比分获胜；2017年8月8日，他再次进球，使球队在欧洲超级杯中最终以2-1战胜了曼联。
在2017-18赛季的欧冠联赛中，卡塞米罗出场12次，同时打进1球，皇马在比赛中赢得了他们的三连冠和第13个总冠军。
2021年8月，他将合同延长至2025年。一年后，皇马2-0击败法兰克福，获得了第五个欧洲超级杯冠军，卡塞米罗被评为比赛最佳球员。