Revelado pelo Grêmio ainda em 2006, então com 19 anos, Cássio atuou uma única vez com a camisa gremista nos profissionais, em uma vitória contra o Fluminense, por 2 a 1, fora de casa no Brasileirão daquele ano. Ainda assim, fez parte do elenco que conquistou o Gauchão naquela temporada. No começo do ano, integrou a seleção brasileira sub-20, que foi campeã do Sul-Americano daquele ano. Ainda com a camisa amarelinha, era titular e disputou o Mundial sub-20 no Canadá, quando o Brasil parou nas oitavas de final ao cair pra Espanha.
Pouco depois de retornar ao Brasil e ao Grêmio, ainda como terceiro goleiro do clube, foi vendido ao PSV, da Holanda, pelo valor de 1,5 milhões de euros, à época mais de R$ 4 milhões. No país europeu também não obteve destaque, atuando pouco. Foram cinco jogos e um empréstimo para o Sparta Roterdã.
Depois de quase cinco anos na Europa, Cássio resolveu retornar ao Brasil. Chegou ao Corinthians em 2012, ainda como terceiro goleiro, atrás de Júlio César e Danilo Fernandes. A partir do jogo contra o Emelec, do Equador, pelas oitavas de final da Libertadores de 2012 , o goleiro começou a escrever sua história no Timão. Dali, não largou mais a titularidade. Com a camisa alvinegra conquistou um Mundial, uma Libertadores, uma Recopa Sul-Americana, dois Brasileiros e quatro Campeonatos Paulistas.
Cássio se tornou um ídolo para a torcida, fazendo milagres em diversas partidas e se tornando um dos maiores goleiros da história do Corinthians. No entanto, ele esteve próximo de retornar ao Tricolor em 2016. Depois de perder a posição para Walter, reclamar publicamente do preparador de goleiros Mauri Lima e se desentender com a comissão técnica de Tite, recebeu proposta de outros clubes e decidiu que não queria mais permanecer em São Paulo. Aceitou a proposta do Grêmio, mas foi persuadido por Andres Sanchez a ficar.
Suas boas atuações também o levaram para a Seleção, ainda em 2012. Apesar disso, ganhou sua primeira competição com a amarelinha em 2019, quando o Brasil venceu a Copa América. Disputou também a Copa do Mundo de 2018, convocado por Tite na ocasião.
