皇家馬德里
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。