Nel 2018 partecipa per la prima volta al campionato mondiale in Russia, dove i brasiliani vengono eliminati ai quarti di finale dal Belgio. L'anno dopo è fra i convocati per la Copa América organizzata in Brasile: Casemiro gioca tutte le partite da titolare, eccetto il quarto di finale contro il Paraguay per squalifica. In finale i brasiliani battono il Perù per 3-1 e conquistano il trofeo.