Jabarkan Kembali ke Real Madrid dari Casemiro

Pada 5 Juni 2015, Casemiro kembali ke Real Madrid yang mengaktifkan klausul pembelian kembali, dan dua bulan kemudian kontraknya diperpanjang hingga 2021. Pada 13 Maret tahun berikutnya, dia mencetak gol kompetitif pertamanya untuk Merengues, menyundul tendangan sudut menit ke-89 oleh Jesé dalam kemenangan 2–1 pada UD Las Palmas. Setelah sebagian besar menjadi pemain cadangan di bawah Rafael Benítez, Casemiro menjadi pilihan pertama di bawah penggantinya Zinedine Zidane, dan berkontribusi dengan 11 penampilan di Liga Champions musim itu. Di final melawan Atlético Madrid, ia tampil selama 120 menit, saat Real Madrid memenangkan gelar ke-11 mereka dalam adu penalti setelah bermain imbang 1-1.

Casemiro mencetak empat gol dalam 25 pertandingan di La Liga 2016–2017, membantu timnya memenangkan gelar liga untuk pertama kalinya dalam lima tahun. Dia kemudian mencetak gol jarak jauh di final Liga Champions melawan Juventus, membantu rekannya meraih kemenangan 4-1. Dia kembali mencetak gol pada 8 Agustus, menempatkan timnya unggul dalam kemenangan 2-1 atas Manchester United di Piala Super UEFA 2017.

Selama Liga Champions 2017–2018, Casemiro membuat 12 penampilan sambil mencetak satu gol, saat Madrid memenangkan gelar ketiga berturut-turut dan gelar ke-13 secara keseluruhan dalam kompetisi tersebut.

Dia adalah starter reguler selama musim, saat Real Madrid memenangkan La Liga 2019–2020.

Pada Agustus 2021, ia memperpanjang kontraknya hingga Juni 2025. Setahun kemudian, Casemiro dinobatkan sebagai Man of the Match, saat Real Madrid mengalahkan Eintracht Frankfurt 2-0 untuk Piala Super 2022.