Er wurde für Brasilien auf U-20-Niveau gekappt und spielte für die U-20-Weltmeisterschaft in Kanada.

Der erste Aufruf kam 2007 von Dunga für zwei Freundschaftsspiele gegen Chile und Ghana. Er war 19 Jahre alt und wurde wegen Heltons Verletzung eingezogen; und auch, weil Dunga einige Spieler unter dem olympischen Alter anrief, um sich auf die Olympischen Sommerspiele 2008 vorzubereiten. Im August 2012 wurde Cássio von Mano Menezes zu zwei Freundschaftsspielen gegen Südafrika und China aufgerufen.

Er wurde von Brasiliens Trainer Dunga im Jahr 2015 zu zwei Spielen der Qualifikation für die FIFA Fussball-Weltmeisterschaft 2018 berufen und wurde im zweiten Halbjahr 2017 von Tite für vier aufeinander folgende Spiele der Qualifikation für die FIFA Fussball-Weltmeisterschaft 2018 und zwei Freundschaftsspiele erneut berufen. Am 10. November 2017 erhielt er sein erstes Länderspiel mit der Top-Elf und kam als Ersatz für Alisson in die zweite Halbzeit des Freundschaftsspiels gegen Japan. Seine Teilnahme war aufgrund der begrenzten Torversuche Japans minimal, doch am Ende gab er zwei Tore von Makino und Sugimoto ab, obwohl das letztere für ungültig erklärt wurde.

Im Mai 2018 wurde er in den letzten 23 Mann Kader von Tite für die Weltmeisterschaft 2018 in Russland berufen[8].