1952年、ニューヨーク。ジャーナリストになるためにマンハッタンに出て来たテレーズ（ルーニー・マーラ）は、デパートの玩具売り場でクリスマスシーズンの臨時アルバイトをしている。テレーズには、なかなか結婚には踏み切れないでいるリチャードという恋人がいた。そんなある日、テレーズの前に、娘へのクリスマスプレゼントに人形を探している女性キャロル（ケイト・ブランシェット）が現れる。エレガントで洗練された美しさを持ち、裕福そうなのにどこかミステリアスな雰囲気を醸す彼女に、テレーズはたちまち心を奪われる。送り先伝票からキャロルの住所を知ったテレーズは、キャロルが置き忘れた手袋を郵送すると、すぐにキャロルから連絡が届く。二人は会うようになり、キャロルは離婚訴訟真っ最中の人妻で、娘の親権を巡って泥沼の争いをしていることを知る。婚約者からの求婚のプレッシャーや、これからのキャリアに対する不安からストレスを感じているテレーズは、クリスマス休暇に別居中の夫に娘を取られて孤独なキャロルから車での小旅行に誘われる。テレーズは生まれて初めて本物の恋をしていると実感し、キャロルとの愛の逃避行に出発するが、この旅がきっかけで二人の運命が思いがけない方向に向かうとは、まだどちらも気づいていなかった……。