Jabarkan Real Madrid dari Casemiro

Pada 31 Januari 2013, Casemiro dipinjamkan ke Real Madrid di Spanyol, ditugaskan ke tim B di Segunda División. Dia memainkan pertandingan pertamanya di kompetisi pada 16 Februari, dimulai dengan kekalahan 1–3 di CE Sabadell FC. Casemiro melakukan debutnya di La Liga pada 20 April, bermain selama 90 menit penuh dalam kemenangan kandang 3-1 atas Real Betis. Pada tanggal 2 Juni, dia mencetak gol pertamanya di Eropa, membuka kemenangan 4-0 tim cadangan atas AD Alcorcón di Stadion Alfredo Di Stéfano. Delapan hari kemudian, kepindahan tersebut dibuat permanen selama empat tahun dan biaya sebesar R$18,738 juta.