Twee maanden nadat Casemiro terugkeerde naar Real Madrid, ondertekende hij een nieuw contract dat hem tot 2021 aan de club bond. Op 13 maart 2016 scoorde Casemiro zijn eerste doelpunt voor Real Madrid. Tegen Las Palmas was hij verantwoordelijk voor het winnende doelpunt. Real Madrid won de Champions League door in de finale na strafschoppen Atlético Madrid te verslaan. In die finale speelde Casemiro de volledige wedstrijd. Na de zomer won Real Madrid de UEFA Super Cup tegen Sevilla na verlenging. Opnieuw speelde Casemiro de volledige wedstrijd. Ook mocht Real Madrid deelnemen aan het WK voor clubs. De finale werd gewonnen van Kashima Antlers en ook deze finale ging naar een verlenging en wederom speelde Casemiro de volledige wedstrijd. In het seizoen 2016/17 won Real Madrid voor het eerst in vijf jaar de Primera División. Casemiro speelde dat seizoen 25 wedstrijden en scoorde daarin viermaal. Een van die doelpunten maakte hij in El Clásico. Voor het tweede jaar op rij won Real Madrid de Champions League. In de finale was Juventus de tegenstander. Real Madrid won met 4-1, Casemiro zette Real Madrid voor de tweede keer op voorsprong door de 2-1 op zijn rekening te nemen. In de UEFA Super Cup 2017 was Casemiro opnieuw trefzeker tegen Manchester United. Hij maakte het openingsdoelpunt in een wedstrijd die met 2-1 gewonnen werd. In eigen land won Real Madrid ook de Supercopa de España tegen FC Barcelona. Voor het tweede jaar op rij won Real Madrid het WK voor clubs. In de finale werd Grêmio verslagen, Casemiro speelde de volledige wedstrijd. Op 26 mei 2018 werd Real Madrid de eerste club sinds 1976 die drie keer op rij de Champions League won. In de finale werd Liverpool met 3-1 verslagen. Casemiro startte in de basiself en speelde de volledige wedstrijd.