La historia se centra en la relación de dos mujeres muy diferentes en la década de 1950 en Nueva York. Una joven de 20 años, Therese (Rooney Mara), trabaja en una tienda y sueña con una vida más plena cuando conoce a Carol (Cate Blanchett), una seductora mujer atrapada en un matrimonio adinerado, pero sin amor. A medida que la trama se desarrolla, sus vidas empiezan a desmoronarse mostrando a Carol cada vez más temerosa de perder la custodia de su hija en caso de una separación, cuando su esposo cuestiona su capacidad como madre al descubrir la relación que sostenía con su mejor amiga, Abby (Sarah Paulson).
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