1952年のニューヨーク。写真家になることを夢見るテレーズ・ベリベットは、デパートで働いていた。
そんなときのこと。クリスマスを目前に賑わうデパートの玩具売り場で、テレーズはキャロルという人妻に出会う。稀に見る美しさと気品、そして憂いを帯びた彼女に、テレーズは心を奪われる。
ショーウィンドーに置き忘れた手袋をテレーズが届けたことをきっかけに、キャロルは彼女を自宅に招く。恋人リチャードと逢うときにはない感情を覚えるテレーズ。キャロルは彼女に、関係の冷めた夫ハージと、娘リンディの親権問題で揉めていることを洩らす。それを機に、ふたりの関係は急速に濃密なものとなってゆく。
だが、それを疎ましく思ったハージはキャロルから親権を奪う申し立てをする。元より親友のアビーと親密すぎる仲を保っていたことも含め、テレーズと交際を重ねる彼女はリンディの母親に相応しくないというのだ。娘に会えないことを悲観したキャロルはテレーズを誘い、旅に出る。
ある夜２人は一線を越え、その様子をハージが依頼した探偵に録音されてしまう。キャロルは責任を感じるテレーズを慰め、静かに彼女の下を去る。２人の関係は断ち切られ、テレーズは念願のニューヨーク・タイムズで働きはじめる。一方キャロルはリンディの親権を得るために、ハージの実家で生活を送っていた。とうとう審問が始まるが、キャロルは当初の主張を一転させ「夫に親権を委ねる方が娘を幸せにできる」と告げる。
その後、テレーズと再会したキャロルは彼女に同棲を提案するが、すぐには受け入れられなかった。だがパーティーに参加したテレーズは改めて自身がキャロルを愛していることに気づき、彼女の下に出向く。
ゆっくりと近づくテレーズに気づいたキャロルは、静かに微笑みを浮かべる。
