Dolly ma młodszą siostrę - Kitty. Adoruje ją dwóch mężczyzn: Wroński oraz Konstanty Lewin, dawny przyjaciel Stiwy, nieśmiały i nieobyty w towarzystwie posiadacz ziemski. Kitty odrzuca propozycję Lewina, ponieważ sama zakochana jest we Wrońskim i liczy na to, że ten oświadczy się jej. Wkrótce jednak odkrywa, że Wroński kocha Annę Kareninę, co doprowadza ją do rozpaczy, którą potęgują wyrzuty sumienia z powodu odrzucenia oświadczyn. Lewin, rozczarowany życiem arystokracji i przekonany, że nigdy już się nie ożeni, powraca na wieś.
Anna Karenina chce zakończyć znajomość z Wrońskim, więc wraca z Moskwy do Petersburga i postanawia rzucić się w wir tamtejszego życia towarzyskiego. Jej ukochany jednak podąża za nią. Na przyjęciu Wroński informuje Annę, że kocha ją. Mąż kobiety zaczyna podejrzewać, że stosunki między jego żoną a oficerem mogą być bliższe, niż się to wydaje, jednak Anna zapewnia go, że nic jej nie łączy z Wrońskim.
Jakiś czas później dochodzi do wyścigu konnego, w którym biorą udział oficerowie wojskowi. Wroński jest jednym z nich. Za ogromną kwotę kupił piękną klacz, Frou-Frou, jednak podczas wyścigu popełnia błąd, co powoduje, że koń upada i łamie kark. Karenin, mąż Anny, zauważa, że jego żona podczas wyścigu żywi głębokie zainteresowanie Wrońskim.
Anna w końcu przyznaje się, że ma romans z tym mężczyzną. W tym czasie Kitty udała się z matką do uzdrowiska w Niemczech, aby tam dojść do siebie po załamaniu. Poznaje tam kilku Rosjan, między innymi brata Lewina, Mikołaja, który jest chorowity i także kuruje się w uzdrowisku.
Lewin mieszka w swojej wiejskiej posiadłości. Odwiedza go jego przyrodni brat, intelektualista Sergiej Kozniszew. Sergiej krytykuje to, że Lewin zrezygnował z posady w radzie okręgowej, ale Lewin tłumaczy bratu, że ta praca była całkowicie bezużyteczna. Zamiast tego wolał poświęcić się pracy na roli razem z chłopami, jest tylko rozczarowany ich ciągłym oporem przeciwko nowościom, które mogą ułatwić tę pracę. Dolly zachęca Lewina, by ponowił ubieganie się o rękę Kitty. W końcu spotyka ją na przyjęciu w domu Obłońskich i oświadcza się jej po raz drugi, tym razem z sukcesem. Lewin i Kitty zaręczają się i biorą ślub.
Anna chce rozwieść się ze swoim mężem, ale Karenin odmawia, ponieważ uważa, że muszą zachowywać pozory poprawności w obliczu towarzystwa. Anna opuszcza męża i wyrusza na wieś. Często widuje się z Wrońskim, ale kiedy Anna odkrywa, że jest w ciąży, ich związek zaczyna przeżywać trudności. Wroński nie chce poświęcić swojej kariery wojskowej dla Anny. Któregoś razu Karenin przybywa do Anny, i zastając w jej obecności jej kochanka, zgadza się na rozwód. Jest obecny przy porodzie, który przysparza kobiecie tak wielkie cierpienie, że obawia się, iż może umrzeć. Anna błaga męża o wybaczenie, a Karenin ofiarowuje je. Pozwala żonie zadecydować o rozwodzie, a ona z wdzięczności postanawia z niego zrezygnować. Wroński czuje się zażenowany wspaniałomyślnością Karenina i próbuje popełnić samobójstwo. Kiedy Anna odzyskuje zdrowie wyjeżdża z Wrońskim do Włoch.
Po jakimś czasie powracają do Rosji, gdzie Anna odkrywa, że jest wykluczona z towarzystwa. Karenin pod wpływem hrabiny Lidii Iwanownej, kobiety owładniętą religijnością i mistycyzmem, wmawia Sierioży, że jego matka nie żyje, ale chłopak dowiaduje się prawdy. Anna wie, że jej syn nie może się z nią widywać, ale w dniu jego urodzin potajemnie odwiedza go, co odkrywa wściekły Karenin. Odrzucenie ze strony arystokracji wpędza Annę ją w załamanie. Odczuwa coraz silniejszą zazdrość o Wrońskiego, ponieważ on wciąż może pojawiać się w towarzystwie, podczas gdy ona jest wyklęta. Oboje przenoszą się na wieś.
Lewin jest zaskoczony tym, że małżeństwo nagle ograniczyło jego wolność. Kiedy jego brat, Mikołaj, jest umierający, zamiast wyruszyć do niego od razu, musi prosić żonę o pozwolenie. Kitty nalega, by mu towarzyszyć, na co w końcu Lewin zgadza się. Kitty w obliczu śmierci brata swego męża wykazuje się wielką siłą ducha i czule opiekuje się cierpiącym.
Kiedy okazuje się, że Kitty jest w ciąży, jej siostra Dolly wraz z rodziną przybywa do posiadłości Lewina. Ze Stiwą przyjeżdża jego przyjaciel, Wesłowski, który flirtuje z młodą żoną gospodarza. W końcu Lewin nakazuje mu opuścić swój dom. Dolly odwiedza Annę, która sprawia wrażenie szczęśliwej. Jest pod wrażeniem bogactwa domu, w którym mieszka, ale niepokoi ją to, że Anna bierze środki nasenne.
Lewin i Kitty przenoszą się do Moskwy, by tam oczekiwać na narodziny ich dziecka. Są zdziwieni, jak wiele kosztuje życie w mieście. Lewin powraca na wieś, by wziąć udział w lokalnych wyborach, w których zwyciężają młodzi liberaliści. Stiwa zabiera Lewina z wizytą do Anny, której Lewin jeszcze nie miał okazji poznać. Jest nią zauroczony. Tymczasem Anna popada w obsesję na punkcie Wrońskiego i uważa, że ten już jej nie kocha. Kitty rodzi Lewinowi syna. Jej mąż czuje się zagubiony, ponieważ odczuwa w stosunku do dziecka sprzeczne uczucia. Stiwa jedzie do Petersburga w poszukiwaniu pracy. Prosi Karenina, by w końcu udzielił żonie rozwodu, tak jak jej to kiedyś obiecał. Karenin radzi się francuskiego medium i odmawia.
Anna sprzecza się z Wrońskim - uważa, że stawia on swą matkę ponad nią. Wroński odjeżdża na kilka dni, aby wziąć udział w wyborach okręgowych, a rozstanie prowadzi Annę ją do szaleństwa i przekonuje ją, że musi rozwieść się z mężem i wyjść za ukochanego. Wysyła mu telegram, by jak najszybciej powrócił do niej i razem jadą do Moskwy, by przekonać Karenina do udzielenia rozwodu. Kiedy ten odmawia, postanawiają wrócić na wieś. Na stacji kolejowej Anna popełnia samobójstwo, rzucając się pod pociąg. Po jej śmierci Karenin roztacza opiekę nad córką jej i Wrońskiego.
Dwa miesiące później wychodzi książka Siergieja, przyrodniego brata Lewina. Okazuje się, że nikt nie chce czytać jego dzieła. Siergiej jest głęboko rozczarowany. Wstępuje do patriotycznego stowarzyszenia, które wspiera ludzi z narodów słowiańskich, które znajdują się pod panowaniem tureckim. Wroński wyrusza z nim do Serbii, aby tam pomagać ludności w ich sprawie. Lewin jest nastawiony sceptycznie do takich działań. Kitty zauważa, że jej mąż jest przygnębiony i ciągle rozmyśla o sensie życia. Pewnego dnia jeden z chłopów, Fiodor, w rozmowie z Lewinem mówi, że celem w życiu nie jest napchanie własnego żołądka, ale służba Bogu i dobroć. Lewin dzięki niemu nawraca się i odkrywa sens w życiu. Tego samego dnia nagle rozpętuje się burza. Lewin z Dolly i jej dziećmi poszukują jakiegoś schronienia, wkrótce jednak dociera do nich, że Kitty i jej synek ciągle znajdują się na dworze. Lewin biegnie do lasu, by odnaleźć swą rodzinę, a widząc wielkie drzewo powalone przez piorun obawia się, że mogli zginąć. Odnajduje jednak żonę i dziecko bezpieczne i po raz pierwszy naprawdę czuje miłość do swego syna.
