Aos 24 anos, o atacante foi formado na base do São Paulo, na mesma geração de nomes importantes como Lucas Moura, Casemiro e o zagueiro Rodrigo Caio. No entanto, o atleta acabou não tendo chances de subir à equipe profissional do Tricolor Paulista. Sem grandes oportunidades de atuações no clube da capital paulista, o atleta ainda tentou realizar testes em outros clubes do Brasil, porém acabou sendo recusado em todos eles.
Em 2011, a vida do até então garoto de 17 anos sofreu uma gigantesca reviravolta. Caio Lucas recebeu um convite para estudar e realizar testes de futebol em clubes do Japão. Alguns anos após ter se mudado para o país asiático o atacante finalmente conseguiu um contrato com uma equipe profissional, e justamente com o clube mais vencedor do país: o Kashima Antlers.
No principal clube do país o brasileiro somou 27 gols marcados em 100 jogos e rapidamente atingiu um bom nível de destaque no elenco e no futebol japonês como um todo, já que chegou a cogitar uma naturalização para poder atuar pela seleção asiática.
Porém, a ideia foi rapidamente descartada, já que o jogador se transferiu para o seu atual clube, o Al Ain, dos Emirados Árabes, que pagou cerca de 3 milhões de euros para que Caio assinasse por quatro temporadas com o clube em 2016.
Se os seus números foram bons no Japão, na nova casa foram ainda melhores. Com uma adaptação rápida, Caio já anotou 45 gols em 105 partidas pelo clube, contando o belíssimo tento anotado contra o River Plate na semifinal do Mundial de Clubes.
O destaque no futebol árabe confirmado pelas boas atuações no torneio de final de ano colocam o brasileiro como alvo de especulações no futebol europeu, principalmente de clubes portugueses. O Porto era apontado como o principal interessado pela contratação do jovem, porém, a mídia portuguesa afirma que o Benfica entrou forte no negócio e hoje está à frente do rival na briga pelo brasileiro.