Jabarkan Tim Senior dari Casemiro

Casemiro melakukan debutnya untuk tim senior Brasil pada 14 September 2011, dalam hasil imbang 0–0 melawan Argentina, pada usia 19 tahun. Dia ditunjuk oleh manajer Dunga dalam skuad Brasil untuk Copa América 2015, tetapi tidak bermain di pertandingan mana pun dalam kegagalan di perempat final di Chile.

Pada 5 Mei 2016, dia masuk dalam daftar 23 pemain untuk Copa América Centenario yang akan diselenggarakan di Amerika Serikat.

Pada Mei 2018, Casemiro dipilih oleh manajer Tite untuk Piala Dunia FIFA 2018 di Rusia. Dia melakukan debutnya di kompetisi pada 17 Juni, bermain 60 menit dalam hasil imbang 1–1 di babak grup melawan Swiss.

Pada Mei 2019, dia dimasukkan dalam skuad 23 pemain Brasil untuk Copa América 2019 di tanah airnya sendiri. Dalam pertandingan grup terakhir di Arena Corinthians melawan Peru, dia mencetak gol internasional pertamanya untuk membuka kemenangan 5–0, tetapi juga dikirim keluar karena dua kartu kuning dan diskors dari pertandingan berikutnya. Dia bermain di kemenangan 3–1 Brasil atas Peru di Final Copa América 2019 pada 7 Juli, di Maracanã Stadium.

Dia dipanggil ke skuad Copa América 2021 pada 9 Juni 2021. Dalam pertandingan grup ketiga Brasil pada 23 Juni, dia mencetak gol kemenangan pertandingan setelah sudut Neymar di waktu tambahan, untuk membantu timnya mengalahkan Kolombia 2–1. Pada 10 Juli, dia mulai dalam kekalahan 1–0 negaranya ke rival Argentina di final.

Pada 7 November 2022, Casemiro dipanggil dalam skuad untuk Piala Dunia 2022 di Qatar. Pada 28 November, dia mencetak gol kemenangan dalam pertandingan grup kedua melawan Swiss. Brasil dieliminasi oleh Kroasia di perempat final pada 9 Desember, setelah kekalahan 4–2 dalam adu penalti setelah seri 1–1 setelah waktu tambahan, meskipun Casemiro berhasil mencetak gol penaltinya.