Jugó en Doroteas F.C. con Marlon Alajo y Felipe Salinas, también destacó con David Torres.

Luego, se trasladó a la capital a uno de los equipos de mayor éxito del Ecuador, el Club Deportivo El Nacional, con el cual obtuvo los títulos consecutivos de liga en 2005 y 2006. De nuevo marcó once goles en ciento doce partidos para el club.

En agosto de 2006, se trasladó al extranjero y firmó un contrato de dos años con el Estrella Roja de Belgrado de Serbia. Anotó ocho goles, fue campeón en 2007 y jugó setenta y dos partidos.

En agosto del 2008, Castillo se unió al Everton de la Premier League en un préstamo de un año de duración. Hizo su debut el 14 de septiembre del 2008 contra el Stoke City. Anotó su único gol para los toffees en su debut en casa ante el Standard de Lieja el 18 de septiembre del 2008 en la Copa de la UEFA con una potente volea desde 25 yardas. A Castillo no se le ofreció un contrato permanente en el Everton. Se informó que el Estrella Roja pedía alrededor de cinco millones de libras esterlinas para hacer el trato permanente.

Regresó a la Premier League una vez más cuando se unió al recién ascendido Wolverhampton Wanderers en un préstamo durante toda la temporada el 31 de agosto de 2009. Hizo su debut contra el Fulham el 20 de septiembre del 2009, y tuvo una racha de 8 partidos antes de ser separado del primer equipo.

En julio del 2010, firmó un contrato por 2 años con el bicampeón de Ecuador (2008 y 2009) Sociedad Deportivo Quito.

El 17 de junio de 2011, el Club de Fútbol Pachuca de México lo contrata.

El 6 de diciembre, luego de varios rumores que apuntaban su regreso a Ecuador, fue confirmado finalmente por la directiva del Puebla FC como su nuevo jugador.

El 22 de junio de 2013 se confirma su llegada al fútbol árabe.

Para la temporada 2015, ficha por el club Dorados de Sinaloa, del ascenso de México.

Para la temporada 2016, ficha por Barcelona SC.

El 28 de diciembre de 2018, ficha por Guayaquil City FC para la temporada 2019.

Castillo se unió a Barcelona SC como asistente técnico en 2022, donde trabajó bajo la dirección de varios entrenadores, incluyendo a Fabián Bustos y Ariel Holan. Durante su tiempo como asistente, contribuyó al desarrollo del equipo y ganó experiencia en el cuerpo técnico.^[1]​

En 2024, tras la salida de Holan, Castillo asumió el cargo de director técnico de forma interina, logrando tres victorias y tres empates en seis partidos. Su desempeño le valió la ratificación como entrenador oficial para la temporada 2025, convirtiéndose en el primer DT ecuatoriano en iniciar una campaña con Barcelona SC en 14 años.^[1]​^[2]​^[3]​

Se estrenó con la selección de Ecuador en el 2005, haciendo su debut internacional el 17 de agosto como suplente ante la selección de fútbol de Venezuela. Se convirtió en un jugador regular después de esto y se incluyó en su lista de convocados para la eliminatorias para el Mundial Alemania 2006. Jugó cada minuto de su campaña en el Mundial, donde Ecuador alcanzó la segunda ronda por primera vez en su historia. El 31 de mayo de 2014, en un juego amistoso ante México, una fuerte entrada del jugador mexicano Luis Montes lo lesiona y el mexicano se termina fracturando la tibia y el peroné. Fue convocado para asistir a la Copa Mundial de 2014. Tras un nuevo informe médico, la Federación Ecuatoriana de Fútbol emitió un comunicado indicando que el tiempo de recuperación de la lesión no le permitirá jugar la Copa del Mundo, por lo cual fue reemplazado por su compatriota Oswaldo Minda, quedando así fuera del certamen.

Otros logros:

•   subcampeón de la Liga de Campeones de la AFC 2014 con Al-Hilal.

• «Segundo Castillo ya es jugador de Estrella Roja». El Universo. Archivado desde el original el 10 de marzo de 2016. Consultado el 29 de abril de 2013. 
• «Ficha de Segundo Alejandro Castillo». BDFA. Consultado el 27 de septiembre de 2011. 
• «Segundo Alejandro Castillo transferido a Pachuca». El Comercio. Archivado desde el original el 4 de noviembre de 2011. Consultado el 27 de septiembre de 2011.