电影围绕着卡罗尔·克莱恩和赫莉·特纳之间的关系展开。卡罗尔是一位优雅的女性，而赫莉则是一个年轻且充满活力的女子。两人在1952年的纽约相遇，迅速发展出一段激情的恋情。然而，这段关系受到了社会规范和家庭压力的阻碍。

四十年后，赫莉再次回到纽约，寻找卡罗尔，却发现她已去世。赫莉决定整理卡罗尔的遗物，重新审视这段被遗忘的爱情。通过卡罗尔的日记和照片，赫莉逐渐理解了这段关系的复杂性和卡罗尔的内心世界。