卡塞米罗有参加过世界杯。卡塞米罗曾经在2011年7月跟随巴西U20青年国家队参加国际足联U20世界杯并成功帮助球队夺得冠军，而虽然2011年卡塞米罗就加入了巴西国家队，但是直到2018年的俄罗斯世界杯上，卡塞米罗才成功跟随巴西国家队参加首次世界杯之旅，巴西在四分之一决赛就以0-2遭到比利时的淘汰。

2018年的俄罗斯世界杯上，卡塞米罗代表巴西队出战了4场比赛，没有进球也没有助攻，但是卡塞米罗在场上的重要性毋庸置疑。首次世界杯之旅铩羽而归，也让人们对卡塞米罗在2022年卡塔尔世界杯上的表现充满期待。

结束了2018年的世界杯之旅，次年卡塞米罗跟随巴西队参加了2019年的巴西本土美洲杯，最终卡塞米罗不仅收获了国家队处子球，而且还帮助巴西队在决赛中以3-1击败秘鲁成功夺得美洲杯冠军。

2021年的美洲杯上，小组赛第四场面对哥伦比亚男足，正是凭借着卡塞米罗在比赛最后1分钟打入的绝杀进球，成功帮助巴西队以2-1击败哥伦比亚，遗憾的是在最终的决赛中，巴西队以0-1不敌阿根廷，屈居亚军。

2022年卡塔尔世界杯南美区预选赛第15轮的比赛，卡塞米罗再次取得国家队进球，帮助巴西以1-1艰难战平厄瓜多尔。而随后的2022年9月9日，巴西男足公布了国家队的新一期名单，卡塞米罗赫然在列，因此过后的卡塔尔世界杯的比赛中，球迷们又可以见到卡塞米罗的身影。