En la temporada 2002-03 fue integrante del equipo que ganó la Euroliga, disputada en la misma ciudad de Barcelona.

Este club, sin embargo, traspasó sus derechos con los Cleveland Cavaliers en una operación que involucró a otros tres jugadores.

Varejão disputó dos temporadas con los azulgrana, formando parte del histórico Barcelona que ganó la Euroliga la temporada 2002-03 junto a jugadores como Dejan Bodiroga, Juan Carlos Navarro o Šarūnas Jasikevičius.

En el 2004, Varejão fue escogido en la trigésima posición del draft de ese año por los Orlando Magic, inmediatamente fue transferido a Cleveland Cavaliers junto a Drew Gooden y Steven Hunter por Tony Battie y una futura segunda ronda de draft.

Para la siguiente temporada 2006-07, el entrenador Mike Brown decidió dar más minutos a Varejão, jugando 81 partidos en toda la sesión.

Varejão tuvo un pobre desempeño en playoffs, aunque sí que rindió bien en la derrota de los Cavaliers contra Boston Celtics.

[3]​ Esa temporada los Cavs llegaron a las finales de la NBA, pero perdieron ante Golden State Warriors (2-4).

[7]​ Debutó dos días más tarde[8]​ y promedienado únicamente 2,6 puntos por partido durante la temporada regular.

[10]​ Según Elias Sports Bureau, Varejão se convirtió en el primer jugador en jugar para los dos finalistas en un mismo año.

[17]​ Diez días más tarde, firma un segundo contrato de 10 días más, hasta final de temporada,[18]​ disputando sus 5 últimos encuentros como profesional.