Gia đình người anh trai của Anna có sự bất hòa và Anna - vợ của một quan chức cao cấp của triều đình ở Sankt-Peterburg, đã đi tàu đến Moskva để giúp anh trai và chị dâu hòa giải. Nàng đi cùng toa với bá tước phu nhân Vroskaya. Đến Moskva, anh trai của Anna đón ở ga và con trai của bá tước phu nhân là Alexei Vronsky cũng ra đón mẹ. Lúc này, mọi người chưa kịp xuống tàu thì xảy một tai nạn khủng khiếp: một người công nhân bị tàu cán chết. Sự kiện này làm mọi người hết sức kinh hoàng.
Cùng thời gian này, Levin, một điền chủ hầu như quanh năm chỉ sống ở nông thôn, cũng đến Moskva với mục đích cầu hôn với cô con gái út của gia đình Cherbatsky là Kitty - người mà đã để ý và có tình cảm từ lâu. Kitty mới 18 tuổi vừa bắt đầu gia nhập cuộc sống giao tế của giới thượng lưu và được nhiều người để mắt đến trong đó có Vronsky. Chàng là người tuấn tú, giàu có, quý phái và có tương lai xán lạn ở triều đình và trong quân đội. Nên mặc dù Kitty cảm thấy mình quý mến và tin cậy Levin, song tâm hồn của cô gái trẻ này lại hướng về Vronsky nhiều hơn, nên nàng đã từ chối lời cầu hôn của Levin.
Anna nhanh chóng giải quyết mối mâu thuẫn cho vợ chồng người anh. Vẻ xinh đẹp và khả ái của Anna đã hấp dẫn mọi người xung quanh kể cả Kitty (em gái của Dolly - chị dâu của Anna). Trong buổi khiêu vũ tổ chức tại nhà người quen ít lâu sau, cả Kitty và Anna đều đến. Kitty hạnh phúc và mong chờ được nhảy cùng Vronsky, nhưng khi nàng thấy vẻ mặt của Vronsky khi nhảy cùng Anna, nàng bất ngờ nhận ra rằng Vronsky đã say mê Anna, điều đó khiến Kitty vô cùng đau khổ.
Anna đón nhận tình cảm của Vronsky và xao xuyến vì tình cảm đó nên nàng cảm thấy có lỗi. Nàng đã vội vã rời Moskva nhưng trên chuyến tàu trở về Sankt-Peterburg. Vronsky đã đi theo "để có mặt nơi nào nàng có".
Chồng của Anna là Alexei Karenin, lớn hơn nàng nhiều tuổi, là một con người có tâm hồn khô khan, cằn cỗi, tính nết ưa giả dối, khuôn sáo và có lối sống tẻ nhạt. Anna lấy Karenin là do sự sắp đặt của người cô ham tiền và ham địa vị. Vì vậy, sau bao năm chung sống với chồng, nàng không hề có tình yêu với một con người như thế nên nàng đã dồn mọi tình cảm cho đứa con trai. Sự xuất hiện của Vronsky cùng với tình cảm nồng nhiệt của chàng đã đánh thức những khát khao yêu đương trong Anna. Ban đầu nàng cố gắng đấu tranh, song cuối cùng nàng không kháng cự nổi và đã lao vào cuộc tình với Vrosky. Cuộc tình vụng trộm đó không giấu được lâu nhưng thật bất ngờ chồng Anna biết nhưng không ghen tuông mà chỉ lo lắng cho danh dự và tiếng tăm của ông ta, điều đó càng làm cho Anna chán ghét chồng. Nàng có thai với Vronsky và suýt chết trong khi sinh nở. Karenin tỏ ra cao thượng, tha thứ cho nàng, chăm sóc nàng cùng đứa bé gái mới sinh khiến Anna cảm động ăn năn và Vronsky thì thấy nhục nhã định tự tử nhưng không chết. Tuy nhiên, sự cao thượng giả tạo của Karenin chỉ tách Anna ra khỏi Vronsky trong thời gian ngắn mà không dập tắt nổi ngọn lửa tình yêu giữa hai người. Nó tạm lắng xuống rồi lại bùng lên rừng rực, mạnh mẽ. Họ không thể sống thiếu nhau, Anna quyết định bỏ nhà, chia tay với đứa con trai mà nàng yêu quý, để cùng Vronsky và đứa con gái nhỏ ra nước ngoài.
Levin sau khi bị Kitty từ chối "lời cầu hôn" liền rời Moskva quay trở về với nông thôn. Chàng trở lại với công việc quản lý điền trang và tìm thấy sự an ủi trong công việc, trong sự hòa nhập với thiên nhiên và cuộc sống của những người lao động. Chàng biết được việc của Kitty (sau khi bị Vronsky từ chối nàng đã rất đau khổ và bệnh nặng) phải ra nước ngoài dưỡng bệnh. Một lần tình cờ sau buổi làm việc ngoài đồng, trên đường về Levin nhìn thấy cỗ xe ngựa chở Kitty chạy qua (nàng đang trên đường từ nước ngoài trở về). Chàng chợt nhận ra rằng tình cảm của mình dành cho nàng vẫn còn nguyên vẹn, bèn quyết định đi Moskva để cầu hôn lần nữa. Lần này, chàng đã thành công. Họ nhanh chóng chuẩn bị đám cưới và sau đám cưới, Levin đưa ngay vợ về nông thôn. Kitty lập tức thích ứng với vai trò người vợ của mình khiến cho Levin nhiều bất ngờ và ngạc nhiên. Giữa hai vợ chồng cũng xảy những cuộc cãi cọ, hiểu lầm nho nhỏ, song cuộc sống của gia đình họ rất hạnh phúc.
Trong khi đó hạnh phúc của Anna và Vronsky thật không dễ dàng, nó phải đổi bằng những hy sinh: Vronsky phải từ bỏ con đường danh vọng, Anna phải rời xa đứa con trai (mà nàng rất yêu quý và luôn nhớ thương con - nỗi nhớ ấy luôn ám ảnh và dằn vặt nàng) và chịu những lời chê trách gièm pha. Họ cũng không thể sống mãi ở nước ngoài nên một thời gian sau họ trở về Nga. Vronsky dù yêu Anna, song cũng đã mệt mỏi vì cuộc sống không chính thức của hai người, trong khi đó Anna vẫn không giải quyết được việc ly hôn với chồng vì vướng bận chuyện con trai. Karenin không cho nàng nhận con nếu ly hôn, bởi vậy nàng không thể hợp thức hóa cuộc sống lứa đôi với Vronsky. Những khó khăn đó cộng với sức ép của dư luận, của những người quen thuộc xung quanh làm cho quan hệ tình cảm giữa hai người càng lúc càng trở nên căng thẳng: Vronsky bực bội, mệt mỏi, còn Anna thì đau khổ ghen tuông, nghi ngờ về tình yêu của chàng dành cho mình. Một lần sau trận cãi cọ, Vronsky bỏ về nhà mẹ. Anna đau khổ với những ý nghĩ bi quan, tuyệt vọng. Nàng định đi tìm chàng, nhưng lúc đến nhà ga, Anna chợt nhớ đến cái chết của người công nhân xe lửa và nàng đã quyết định giải thoát cho mình bằng cách lao đầu vào xe lửa.
Sau khi Anna chết, Vronsky vô cùng đau khổ. Chàng xin gia nhập vào quân đội tình nguyện giúp người Serbia trong cuộc chiến tranh chống Thổ Nhĩ Kỳ. Còn Levin và Kitty vẫn tiếp tục cuộc sống gia đình hạnh ở nông thôn và sinh được một cậu con trai.
