Im New York der 1950er-Jahre führt Carol (Cate Blanchett) eine unerfüllte Ehe mit ihrem wohlhabenden Mann Harge (Kyle Chandler). Sie lernt die junge Therese (Rooney Mara) kennen, die in einem Kaufhaus arbeitet und von einem besseren Leben träumt. Auf einer gemeinsamen Reise entwickelt sich eine ganz besondere Bindung zwischen ihnen – und schließlich die große Liebe.
Harge will das neue Glück seiner Frau jedoch nicht akzeptieren und beginnt, entscheidende Beweise für das laufende Scheidungsverfahren zu sammeln. Carol muss schon bald um das Sorgerecht ihrer geliebten Tochter kämpfen. Ihr Mann versucht es ihr mit allen Mitteln zu nehmen...