Accademia delle Scienze di Torino (dal 1898)
Società italiana delle Scienze, "detta dei XL" (dal 1906)
Istituto lombardo di Scienze e Lettere (dal 1906)
Istituto veneto di Scienze, Lettere ed Arti (dal 1910)
Accademia delle Scienze di Bologna (dal 1919)
Accademia di Scienze, Lettere ed Arti di Palermo (socio onorario, dal 1947)
London Mathematical Society (membro onorario dal 1907)
Gesellschaft der Wissenscaften zu Göttingen (dal 1923)
Académie des Sciences, Institut de France (dal 1929)
Académie Royale de Belgique (dal 1946)
Académie Polonaise des Sciences et des Lettres (dal 1948)

Nel 1901 Castelnuovo è nominato Socio corrispondente dell'Accademia dei Lincei. Nel 1918 sarà nominato Socio nazionale.

Castelnuovo fu membro o socio di varie Accademie e Società scientifiche.