Fabuła Akcja filmu rozgrywa się w Nowym Jorku na początku lat 50. Młoda fotografka Therese Belivet (Rooney Mara) rozważa małżeństwo ze swoim przyjacielem Richardem (Jake Lacy). Dorabiając w domu towarowym w okresie przedświątecznym, spotyka klientkę szukającą lalki dla swojej córki, Carol Aird (Cate Blanchett). Kobieta zostawia w sklepie rękawiczki, których zwrot staje się pretekstem do spotkania. Między kobietami zaczyna rozwijać się uczucie. Równocześnie Carol jest w trakcie rozprawy rozwodowej ze swoim mężem, Hargem (Kyle Chandler), z którym walczy o prawo do opieki nad córką Rindy. Sprawa komplikuje się, gdyż prawnicy Harge'a gotowi są wykorzystać dowody na spotykanie się Carol z kobietami, zwłaszcza z przyjaciółką i dawną partnerką, Abby (Sarah Paulson).
Carol ofiarowuje Therese w prezencie aparat marki Canon i zachęca do rozwijania pasji fotograficznej. Gdy okazuje się, że nie będzie mogła spędzić świąt z córką, proponruje Therese wspólny wyjazd samochodowy. W trakcie podróży między bohaterkami dochodzi do zbliżenia. Rozkwitający romans zaburza odkrycie prywatnego detektywa (Cory Michael Smith) wynajętego przez Harge'a, który nagrywał parę w pokoju hotelowym.