Am 15. September 2011 debütierte Casemiro in der brasilianischen A-Nationalmannschaft. Im 0:0-Unentschieden im Freundschaftsspiel gegen Argentinien wurde er in der 87. Minute eingewechselt. Ab 2012 spielte er regelmäßig in der "Seleção". Bei der Weltmeisterschaft 2014 im eigenen Land gehörte Casemiro nicht zum brasilianischen Kader, jedoch berief der damalige Trainer der Nationalmannschaft, Carlos Dunga, ihn in das Aufgebot für die Copa América 2015 in Chile. Während des Turnieres kam Casemiro zu keinem Einsatz. Bei der Copa América Centenario 2016 in den USA gehörte er erneut zum Kader der Brasilianer und kam zu zwei Einsätzen; die brasilianische Mannschaft schied nach der Gruppenphase aus. Auch im Zuge der Copa América 2019 stand Casemiro im Kader der Mannschaft. Mit dieser konnte er den Titel gewinnen. Dabei stand er in allen sechs Spielen in der Anfangsformation und erzielte sein erstes Länderspieltor.