Carol fue filmada en el formato cinematográfico Super 16 milímetros, para semejar la apariencia de una película de fines de la década de 1940 y principios de 1950. Según explica Todd Haynes: "filmamos en Súper 16mm porque queríamos conseguir una textura diferente a la del video digital, y que de esta manera se sintieran las huellas de un dedo en un vidrio, que se pudiera vivir una experiencia óptica muy profunda".
La cinematografía fue influenciada por el fotoperiodismo de Vivian Maier, Ruth Orkin, Helen Levitt y Esther Bubley. La fotografía de Saul Leiter (conocido por tomas a través de las ventanas y usar reflejos) fue una influencia clave.
El personaje de Carol Aird se inspiró en Virginia Kent Catherwood (1915-1966), una mujer de la alta sociedad de Filadelfia seis años mayor que Patricia Highsmith, con quien la autora tuvo una historia de amor en la década de 1940.
Aunque era innecesario que Cate Blanchett y Rooney Mara estuvieran al otro lado de la línea cada vez que hablaban por teléfono, se ofrecieron a ayudarse mutuamente. Por lo tanto, cada vez que Carol y Therese hablan por teléfono, Blanchett y Mara están realmente al otro lado de la línea.
El papel de Therese le fue ofrecido a Rooney Mara después de completar Millennium: Los hombres que no amaban a las mujeres (2011), pero debido a cansancio decidió rechazar el papel. Mia Wasikowska se quedó con el personaje, pero luego abandonó el proyecto para realizar La cumbre escarlata (2015). Mara se unió nuevamente en 2013 cuando Todd Haynes firmó para dirigir.
En la escena en la que Therese y sus amigos ven una recreación de Sunset Boulevard (1950) desde el interior de la cabina de proyección, Dannie, que toma notas mientras ve la película, le dice a Therese que está "trazando la correlación entre lo que dicen los personajes y lo que realmente sienten". Esta fue una línea de diálogo intencional que observa los sentimientos no expresados que se desarrollarán entre Carol y Therese.