O volante iniciou a carreira conhecido como “Carlão”.
Revelado nas categorias de base do São Paulo, Casemiro começou no clube aos 11 anos, jogou nas categorias de bases da escola de futebol Moreira em São José dos Campos e era uma das “promessas” do CFA de Cotia, tendo sido convocado várias vezes para a Seleção Brasileira de base, incluindo o Mundial Sub-17 de 2009.
Após boas atuações em três jogos-treino da equipe profissional durante a Copa do Mundo de 2010, o então técnico Ricardo Gomes promoveu-o para a equipe profissional do São Paulo.
Em 25 de julho de 2010, Casemiro fez sua estreia pelo São Paulo em clássico contra o Santos, na Vila Belmiro.
No dia 15 de agosto de 2010, em um jogo contra o Cruzeiro pelo Campeonato Brasileiro, marcou seu primeiro gol como profissional pelo São Paulo.