I New York på begynnelsen av 1950-tallet arbeider Therese Belivet (Rooney Mara) i et varehus på Manhattan og drømmer om et bedre liv. Det er her hun møter Carol Aird (Cate Blanchett), en forlokkende og elegant kvinne fanget i et ulykkelig ekteskap. Det oppstår en umiddelbar gnist mellom de to kvinnene som videre utvikler seg til en dyp forbindelse. Når forholdet deres avsløres hevner Carols ektemann seg på henne ved å sette spørsmålstegn ved hennes kompetanse som mor og truer med å frata henne datteren. Carol og Therese forlater sine respektive liv og flykter sammen, men en konfrontasjon er uunngåelig.