Dotty válni akar – férje, Sztyiva már sokadszorra csalta meg őt. Sztyiva testvérét, a szép és kedves Annát hívja segítségül, hogy győzze meg a hajthatatlan asszonyt szándéka megváltoztatásáról. Anna ráveszi Dottyt, hogy bocsásson meg Sztyivának, és egy kis ideig náluk marad vendégségben. Anna mindenkit elbűvöl, köztük Dotty húgát, Kitty-t is, aki rögtön példaképként kezd tekinteni rá. Csodálata azonban egy csapás gyűlöletbe csap át a soron következő bál után, mikor Kitty udvarlóját, a katonatiszt Vronszkij-t is rabul ejti Anna szépsége. Anna hazautazik férjéhez és kisfiához, de Vronszkij utána megy, Kittyvel pedig megszakítja a kapcsolatot. Kitty teljesen belerokkan Vronszkij elpártolásába, állandóan zokog és teljesen legyengül. Orvosai tanácsára egy külföldi fürdőbe megy lábadozni.
Mindeközben Levin, Sztyiva legjobb barátja reménytelenül szerelmes Kitty-be. Levin sokkal idősebb a lánynál, valamint azt is tudja, hogy Kitty Vronszkij-t szereti, de mégis vall érzésiről – Kitty pedig kikosarazza őt, még abban a hitben, hogy majd Vronszkij is megkéri őt. Vidéken irányítja a gazdaságát, a parasztok munkáját becsüli – sokkal inkább, mint a sznob és ostoba hivatalnokokét. Megpróbálja elfelejteni szerelmét, miközben beletemetkezik a vidéki élet ügyeibe. Megpróbál segíteni beteg is elzüllött bátyjának, Nyikolaj-nak, de nem sik sikerrel.
Anna nem tud mit kezdeni az Vronszkij iránti érzéseivel. Húsz évvel idősebb férjéhez a családi akaratnak meghajolva ment hozzá, egyáltalán nem szerelmes belé. Egyetlen öröme kisfia, aki bár nem szerelemből született, de mégis kitölti az életét. Először nem akar reagálni Vronszkij közeledésére, de nem tud parancsolni érzelmeinek. Anna férje, Karenin észreveszi felesége és Vronszkij kapcsolatát, de egyáltalán nem érdekli, hogy kit szeret az asszony – egyedül azon aggodalmaskodik, hogy mit pletykálhatnak róluk az emberek. Anna teherbe esik Vronszkijtól, lassan elkerülhetetlenné válik a botrány. Anna majdnem meghal a szülésnél, Vronszkij pedig öngyilkosságot kísérel meg – de mindketten életben maradnak. Rájönnek, hogy nem tudnak egymás nélkül élni. Anna elhagyja férje házát, Vronszkijjal és újszülött kislányával Olaszországba utazik, de szeretett kisfiát nem viheti magával. Férje, Karenin mindent megtesz, hogy Annát elszakítsa közös gyermeküktől: azt hazudja a kisfiúnak, hogy az anyja meghalt.
Kitty és Levin egymásra találnak. A lány sokáig lábadozott külföldön, míg a férfi vidéki birtokán elmélkedett az életvitelén és a társadalomnak a paraszti réteghez való viszonyán. Levin már-már ott tart, hogy feleségül vesz egy parasztlányt, mikor Kitty végre hazaérkezik. A lány túltette magát a Vronszkij okozta csalódáson, és beleszeret az addig figyelemre sem méltatott Levinbe. Összeházasodnak, végre mindketten megtalálják a boldogságot.
Annának hazatért Oroszországba, kislányával és Vronszkijjal él egy gyönyörű vidéki birtokon. Mégis, az asszony boldogsága közel sem teljes – elmondhatatlanul hiányzik neki kisfia. Dotty meglátogatja őt, de ő is látja, hogy minden látszat ellenére Anna boldogsága közel sem teljes. Mikor visszamennek a városba, Anna szembesül azzal, hogy mennyire kiveti őt magából a társadalom: megbélyegzik, erkölcstelennek tartják, a színházban nem akarnak mellé ülni. Mindez azért van, mert elhagyta férjét a szeretőjéért. Vele ellentétben bátyja, Sztyiva, aki úton-útfélen csalja szegény Dotty-t, semmilyen hátrányát nem szenvedi életmódjának. Annánra viszont más szabályok vonatkoznak, csupán azért, mert nő.
A két főszereplő, Anna és Levin mindössze egyszer találkoznak, mikor Sztiva bemutatja őket egymásnak. Levin összességében bájosnak tartja az asszonyt, de mikor a várandós Kitty tudomást szerez a találkozásról, féltékenységi jelenetet rendez. Levin megígéri feleségének, hogy mostantól kerülni fogja Annát. Kitty végre megszüli első gyermekét, nagyon nagy fájdalmak között. A hitehagyott Levin nem tudja elviselni felesége szenvedéseit, még imádkozik is érte. Kitty-vel boldog családként mennek vissza vidékre, ahol Levin szabadidejében az élet értelméről elmélkedik.
Anna idegileg teljesen tönkre megy. Már csak morfiummal tud aludni, elviselhetetlenül hiányzik neki kisfia, Vronszkijjal pedig egyre többet veszekednek. Lehetetlen helyzetéből, a bukott nő szerepéből képtelen kitörni. Végül nem tud megbirkózni a rá nehezedő érzelmi és társadalmi nyomással, és a vonat elé veti magát. Vronszkijt rendkívül lesújtja Anna halála, már csak egy roncsnak érzi magát. Még abba is belemegy, hogy kislányát Karenin nevelje tovább, ő maga pedig elmegy a háborúba meghalni.