No fim de 2011, após encerrar seu vínculo com o PSV Eindhoven, o atleta acertou contrato com o Corinthians. Fez a sua estreia em uma partida contra o XV de Piracicaba valida pelo Campeonato Paulista de 2012, onde a equipe paulistana venceu por 1 a 0. Em 27 de abril de 2012, Cássio assume a vaga de titular no gol do Corinthians que até então era de Júlio César. Fez sua estreia na Libertadores 2012 no dia 2 de maio de 2012 em um jogo contra o Emelec pelas oitavas de final onde o resultado foi 0 a 0, Cássio foi eleito o nome do jogo com grande atuação.

'O pessoal do Corinthians sabia do meu trabalho, quando me contratou. Saio feliz por ter feito um bom trabalho e por ter o apoio de todo mundo.' — Cássio sobre sua atuação após o jogo.

Em 23 de maio de 2012, durante a partida das quartas-de-finais da Libertadores contra o Vasco da Gama, Cássio fez uma defesa considerada 'milagrosa' em chute do atacante vascaíno Diego Souza, que ajudou a levar o Corinthians às semifinais da competição, onde o resultado foi 1 a 0, com gol de Paulinho aos 42 minutos do segundo tempo. Em 13 de junho desse mesmo ano, Cássio teve outra grande atuação, com grandes defesas, nas semifinais da Libertadores contra o Santos a quem o Corinthians venceu por 1 a 0.

Foi o primeiro goleiro corintiano a jogar uma final de Libertadores no dia 27/06 onde o time jogou contra o Boca Juniors na La Bombonera. O jogo terminou empatado em 1 a 1. Cássio foi importante na partida, apesar de tomar o segundo gol na competição novamente fez uma boa defesa. E jogou novamente no segundo jogo da final em São Paulo no dia 4 de julho consagrando-se campeão da Copa Santander Libertadores 2012. Foi escolhido como o goleiro da seleção da Libertadores 2012.

Em 16 de dezembro de 2012, faz uma partida com diversas defesas contra o Chelsea na final da Copa do Mundo de Clubes da FIFA e ajuda o Corinthians a sagrar-se campeão sendo considerado pela equipe inglesa o principal responsável pela vitória corintiana sobre os 'Blues'. Foi escolhido o melhor jogador da final e da competição. No início do ano de 2013 em uma votação para eleger o melhor goleiro de 2012, Cássio Ramos foi o 7º colocado, sendo um dos melhores goleiros do mundo, superando grandes goleiros, sendo considerado o melhor goleiro do Brasil em atividade, até pouco tempo por muitos da imprensa.

Já no ano de 2013, Cássio teve poucas partida no Campeonato Paulista de Futebol de 2013 por conta de quatro lesões neste ano, mas voltou a jogar normalmente na 1° partida das oitavas de final da Copa Libertadores da América de 2013 contra o Boca Juniors. No dia 19 de maio, Cássio sagrou-se campeão do Campeonato Paulista de Futebol de 2013. No dia 13 de julho, foi campeão da Recopa Sul-Americana de 2013, sobre o rival São Paulo.

No ano de 2014, ao comando de Mano Menezes, mesmo não tendo conquistado nenhum título, Cássio foi um dos principais jogadores do Corinthians no Campeonato Brasileiro ao lado de Paolo Guerrero.

Cássio começou o ano de 2015 se destacando positivamente e negativamente em clássicos. Em 8 de fevereiro de 2015, no clássico contra o Palmeiras, se destacou negativamente ao levar o segundo cartão amarelo e, consequentemente, foi expulso. Porém, no dia 8 de março de 2015, se destacou positivamente contra o São Paulo, ao defender um pênalti cobrado por Rogério Ceni e impedir o empate da equipe são-paulina. Outro destaque negativo foi a falha na partida contra o Club Guaraní-PAR, que colaborou para a derrota e eliminação do time da Copa Libertadores da América de 2015. Em função de sua queda de rendimento (junto com outros colegas de elenco), teve sua titularidade contestada por parte da torcida, Porém, com o passar dos jogos, voltou a fazer grandes defesas, e se destacou no Campeonato Brasileiro de 2015 como o goleiro menos vazado. Ao final do campeonato, ganhou o Prêmio Craque do Brasileirão.

No início de 2016 Cássio estava prestes a ser anunciado como reforço do Beşiktaş, porém a negociação não deu certo e o goleiro permaneceu no clube paulista. Com oscilações de atuações boas e ruins, o goleiro após 2 eliminações até aqui no ano, (paulista e Libertadores) vem sendo alvo de muitas críticas por parte da imprensa e principalmente da torcida, que acima de tudo o considera ídolo.

Relembre defensas do Cássio na final do Mundial FIFA em 2012:

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