聖保羅
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卡塞米洛出生於巴西的聖若澤多斯坎波斯，並為聖保羅的青訓產品。他很早就被稱為 "Carlão"--他的名字在葡萄牙語中的一個擴展形式，並將被徵召參加2009年國際足總U-17世界盃。2010年，卡塞米洛正式與聖保羅約下合約，成為該隊的職業球員。翌年，他入選巴西U-20國家隊，並出戰應屆的南美洲青年冠軍盃。最終，他取得3個進球，協助球隊贏得冠軍。
皇家馬德里
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2012年，他被皇家馬德里租借。期間，他多次代表預備隊上場，並在2013年4月20日對皇家貝提斯的聯賽中首次為一隊上場。同年夏季，皇家馬德里正底向聖保羅收購卡塞米洛，轉會費未公佈。
波爾圖
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2014年夏天，他被租借到葡萄牙超級聯賽球隊波爾圖。
皇家馬德里
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2015年6月5日，卡塞米洛回到了皇馬，皇馬激活了他的回購條款，兩個月後，他的合同被延長到了2021年。次年3月13日，他在2-1戰勝拉斯帕爾馬斯體育聯盟的比賽中，在第89分鐘將赫塞開出的角球打進了他的第一個比賽進球。
在貝尼特斯手下，卡塞米洛大多是後備球員，在席丹手下，他成為首發球員，並在冠軍聯賽出場11次。對陣馬德里競技的決賽中，他打滿120分鐘，皇馬在1-1平局後通過PK大戰贏得了他們的第11個冠軍。
在2016-17賽季，卡塞米洛在25場比賽中打進4球，幫助球隊五年來首次贏得聯賽冠軍。隨後他在對陣尤文圖斯俱樂部的歐冠決賽中打進一記遠射，幫助球隊以4-1的比分獲勝；2017年8月8日，他再次進球，使球隊在歐洲超級盃中最終以2-1戰勝了曼聯。
在2017-18賽季的歐冠聯賽中，卡塞米洛出場12次，同時打進1球，皇馬在比賽中贏得了他們的三連冠和第13個總冠軍。
2021年8月，他將合同延長至2025年。一年後，皇馬2-0擊敗法蘭克福，獲得了第五個歐洲超級盃冠軍，卡塞米洛被評為比賽最佳球員。
曼聯
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2022年8月22日，英超球隊曼聯宣佈由皇家馬德里簽入卡塞米洛，據報轉會費為6000萬英鎊，另加1000萬英鎊流動條款。
有不少球迷認為他轉投曼聯只是為錢，但卡塞米洛用自己的表現來回擊質疑他貪錢的講法。他利用他的經驗，位置感，傳送，領導能力使曼聯的中場提升了一個層次，亦能在重要比賽攻入關鍵一球，包括在聯賽盃決賽，為曼聯贏得了聯賽盃冠軍及由聯賽第六名上升到第三名並取得歐冠參賽資格。因此他被視為在轉會窗最佳收購之一。
他接受訪問時被問到未來的目標時，他表示除了協助巴西贏得世界盃冠軍外，他希望能夠助曼聯重回高峰。