Mediauppspelning stöds inte på den här enheten
Real tog ledningen i nionde minuten genom Karim Benzema, men Gaku Shibasaki gjorde antingen sida av halvtid för att sätta Kashima framför.
Ronaldo jämnades ut från straffplatsen på timme märket efter Lucas Vazquez var befläckad av Shuto Yamamoto.
Ballon d'Or vinnaren satte sin sida framåt i extra tid efter att ha spelats igenom av Benzema, och avslutade sin hatt-trick sju minuter senare.
Lyssna: 2016 - året för Ronaldo?
Segern gav Real deras andra Club World Cup och förlängde deras oslagbara körning till 37 matcher i alla tävlingar.
Det betyder också att nio av de senaste tio vinnarna av tävlingen har kommit från Europa.
Vinnarna av Champions League letade efter en bekväm eftermiddag när Benzema satte dem framför sig, och de dominerade innehavet i öppningsskedet.
Men Kashima - det första japanska laget att nå en Club World Cup final - imponerad i ett underhållande spel, och Shibasaki tog båda målen väl.
Ja, efter Ronaldos utjämnande straff hade Kashima de bättre chanserna sent på den normala tiden.
Först räddade Keylor Navas en långväga strejk från Fabricio, sedan Yasushi Endo sköt bred vid bakstolpen med den sista kicken av 90 minuter. Vid 3-2 ner, Yuma Suzuki slog i baren med en rubrik.
Den japanska sidan kände också Real kapten Sergio Ramos borde ha skickats iväg i normal tid när han verkade för att kroppskolla en motståndare när på ett gult kort.
Domare använde videorespel för att granska flera beslut under tävlingen, men Janny Sikazwe valde att inte ta en andra titt på händelsen.
" Domaren saknade mod, vilket var beklagligt", sade Kashima coach Masatada Ishii.
Seger för Ronaldo satte ett imponerande år för framåt, kommer sex dagar efter att han vann Ballon d'Or, tilldelas världens bästa spelare.
Han gjorde den vinnande straff i Real's Champions League final seger över Atletico Madrid i maj, innan kapten Portugal till Euro 2016 framgång i sommaren.
Hans hatt-trick i Yokohama var den första i en Club World Cup-final, och han är nu den gemensamma toppen målskytt i tävlingens historia med fem mål.
"Vilket spel", sa Ronaldo. "Vi var tvungna att lida, men det är vad finalen handlar om. Det är en trofé vi verkligen ville vinna och vi avslutar året på bästa möjliga sätt så jag är väldigt glad."
Ronaldo har nu vunnit Club World Cup tre gånger, efter att ha gjort det tidigare med Manchester United 2008 och Real 2014. Han var redan den enda spelaren att vinna tävlingen med två olika klubbar.
Efter att ha tagit över som Real coach från Rafael Benitez i januari, Zinedine Zidane första året i ledningen har varit anmärkningsvärd.
Champions League, Uefa Super Cup och Club World Cup har alla vunnits under en oslagbar körning som sträcker sig tillbaka till april.
Det lägger till den tidigare Frankrike internationella prestationer som spelare, när han vann VM, EM, La Liga, Serie A, Champions League, Intertoto Cup, Interkontinental Cup och Uefa Super Cup.
Zidanes sida, vars sista nederlag var 2-0 till Wolfsburg i Champions League, ledde La Liga med fyra poäng.
Matchen slutar, Real Madrid 4, Kashima Antlers 2.
Andra halvtiden tar slut, Real Madrid 4, Kashima Antlers 2.
Foul av Nacho (Real Madrid).
Fabrício (Kashima Antlers) vinner en frispark på högerkanten.
Toni Kroos (Real Madrid) vinner en frispark i den defensiva halvan.
Foul av Gaku Shibasaki (Kashima Antlers).
Försök blockerat. Álvaro Morata (Real Madrid) vänster fotade skott från mitten av lådan är blockerad. Hjälpt av Mateo Kovacic.
Hörnet, Real Madrid. Förföljd av Naomichi Ueda.
Försök blockerat. Isco (Real Madrid) höger fotade skott från utsidan lådan är blockerad.
Substitution, Kashima Antlers. Shuhei Akasaki ersätter Ryota Nagaki.
Mateo Kovacic (Real Madrid) vinner en frispark i anfallshalvan.
Foul av general Shoji (Kashima Antlers).
Ersättning, Real Madrid. Álvaro Morata ersätter Cristiano Ronaldo.
Offside, Real Madrid. Cristiano Ronaldo försöker en genom boll, men Karim Benzema fångas offside.
Raphael Varane (Real Madrid) vinner en frispark i den defensiva halvan.
Foul av Naomichi Ueda (Kashima Antlers).
Hörnet, Kashima Antlers. Förföljd av Raphael Varane.
Ersättning, Real Madrid. Nacho ersätter Sergio Ramos.
Marcelo (Real Madrid) vinner en frispark på vänsterflygeln.
Foul av Yukitoshi Ito (Kashima Antlers).
Andra halvtiden börjar Real Madrid 4, Kashima Antlers 2.
Ersättning, Real Madrid. Mateo Kovacic ersätter Luka Modric.
Första halvtiden tar slut, Real Madrid 4, Kashima Antlers 2.
Casemiro (Real Madrid) vinner en frispark i den defensiva halvan.
Foul av Fabrício (Kashima Antlers).
Försök blockerat. Isco (Real Madrid) höger fotade skott från mitten av lådan är blockerad. Hjälpt av Marcelo.
Mål!  Real Madrid 4, Kashima Antlers 2. Cristiano Ronaldo (Real Madrid) vänster fotade skott från mitten av lådan till övre vänstra hörnet. Hjälpt av Toni Kroos.
Försök missade. Toni Kroos (Real Madrid) höger fotade skott utanför lådan missar till vänster.
Karim Benzema (Real Madrid) vinner en frispark i defensiva halvan.
Foul av general Shoji (Kashima Antlers).
Substitution, Kashima Antlers. Yukitoshi Ito ersätter Yasushi Endo.
Daniel Carvajal (Real Madrid) visas det gula kortet för en dålig foul.
Foul av Daniel Carvajal (Real Madrid).
Yuma Suzuki (Kashima Antlers) vinner en frispark i anfallshalvan.
Yuma Suzuki (Kashima Antlers) träffar baren med en rubrik från mycket nära håll. Hjälpt av Gaku Shibasaki med ett kors efter en viss situation.
Casemiro (Real Madrid) visas det gula kortet för en dålig foul.
Foul av Casemiro (Real Madrid).
Mu Kanazaki (Kashima Antlers) vinner en frispark på vänster flygel.
Daniel Carvajal (Real Madrid) vinner en frispark i den defensiva halvan.
Foul av Yuma Suzuki (Kashima Antlers).
Cristiano Ronaldo gjorde en hatt-trick som Real Madrid överlevde ett skrämsel att slå japanska sidan Kashima Antlers i extra tid och vinna Club World Cup.