Вызывался в сборные Бразилии до 17 и до 20 лет. В 2011 году вместе с Неймаром, Виллианом и Маркиньосом стал чемпионом Южной Америки среди молодёжи. На этом турнире забил три мяча (в том числе победный в полуфинальном поединке против Эквадора) и отдал две голевые передачи. Тем же летом Каземиро поехал со сборной на чемпионат мира до 20 лет, где провел все семь матчей сборной, которая в финале одолела португальцев со счетом 3:2. 14 сентября 2011 года провел первый матч в основной команде против аргентинцев (0:0). В 2015 году поехал на свой первый Кубок Америки, но на поле не выходил. В 2016 году уже являлся основным опорником «пентакампионов», сыграл в двух матчах юбилейного Кубка Америки, получил две жёлтые карточки и в последнем поединке группового этапа не сыграл, а его команда уступила перуанцам и вылетела из турнира.