À New York en fin 1952, la jeune et timide Thérèse (Rooney Mara), passionnée de photo et vendeuse dans un grand magasin de Manhattan, fait la connaissance d’une riche et séduisante cliente BCBG, Carol (Cate Blanchett), qui est mère d’une petite fille et en instance de divorce. Une relation se noue entre les deux femmes, elles passent de plus en plus de temps ensemble. La relation de Thérèse avec son fiancé se délite et celle de Carol avec son mari (Kyle Chandler) prend un tour dramatique. Ce dernier, buveur et rarement présent au foyer, parvient à obtenir la garde exclusive de leur fille en arguant du caractère « amoral » des supposées liaisons lesbiennesde son épouse. Les deux femmes se voient écartelées entre leur attirance mutuelle grandissante et les contraintes morales de l’époque.
