Nuori Therese Belivet (Rooney Mara) työskentelee tavaratalossa 1950-luvun alun Manhattanilla ja unelmoi täydemmästä elämästä. Hän tapaa Carol Airdin (Cate Blanchett), viehättävän kypsän naisen, joka on loukussa murenevassa kulissiavioliitossa. Näiden kahden hyvin erilaisista oloista tulevan naisen välille syttyy kipinä ja heidän ensimmäisen tapaamisensa viattomuus syvenee pian kiihkeäksi suhteeksi.
Kun suhde Thereseen paljastuu, Carolin aviomies (Kyle Chandler) kostaa ja sysää liikkeelle avioeron ja katkeran huoltajuuskiistan. Yhä yltyviä jännitteitä paetakseen Carol ja Therese lähtevät automatkalle, jonka varrella kummankin naisen käsitykset itsestään ja sitoutuminen toiseen joutuvat koetukselle.
