Στο επίκεντρο του έργου βρίσκεται ο κόσμος των αριστοκρατών, ανάμεσά τους και η ηρωίδα του μυθιστορήματος, Άννα Καρένινα, μια νέα, όμορφη γυναίκα της υψηλής κοινωνίας, η οποία ζει σε μια καταπιεστική γι' αυτήν οικογένεια μαζί με τον σύζυγό της και τον μικρό γιο της.

Σύντομα η ισορροπία της ζωής της ανατρέπεται, όταν γνωρίζει τον κόμη Βρόνσκι, που είναι νέος, όμορφος, πλούσιος και κοσμικός. Η αίσθηση του καθήκοντος απέναντι στο σύζυγο και η αγάπη για το παιδί της δεν δείχνουν να είναι αρκετά ώστε να την αποτρέψουν από τον έρωτα που αρχίζει να νιώθει για τον Βρόνσκι. Ο τελευταίος νιώθει τα ίδια συναισθήματα για την Άννα, παρ' ότι φλερτάρει και την Κίττυ, μακρινή συγγενή εξ αγχιστείας της Άννας.

Ο κοινωνικός τους περίγυρος σχολιάζει αρνητικά τον έρωτα αυτό και ο σύζυγος της Άννας θέλοντας να αποφύγει ένα κοινωνικό σκάνδαλο, αντιμετωπίζει την κατάσταση με ηρεμία και ψυχραιμία, όμως αρνείται να της δώσει διαζύγιο, πιστεύοντας ότι με τον τρόπο αυτό θα καταφέρει να κρατήσει κοντά τη σύζυγό του και μαζί της την αξιοπρέπειά του.

Η Άννα δεν μπορεί να χαρεί τον έρωτά της με τον Βρόνσκι, γιατί τη βασανίζουν οι τύψεις απέναντι στην οικογένειά της. Τα πράγματα δυσκολεύουν ολοένα και περισσότερο από τη στιγμή που μένει έγκυος και αποκτάει ένα κοριτσάκι από τον Βρόνσκι. Ο σύζυγός της δέχεται να κρατήσει το παιδί και να του δώσει μια θέση στην οικογένειά του, όμως η Άννα είναι αδύνατον πια να μείνει μαζί του.

Εγκαταλείπει τον γιο της και φεύγει με τον εραστή της και τη νεογέννητη κόρη τους για την Ευρώπη, όπου ζουν μαζί μερικούς μήνες ευτυχίας. Με την επιστροφή τους όμως, αντιμετωπίζουν και πάλι την επίμονη άρνηση του Καρένιν να της δώσει διαζύγιο. Πλέον η Άννα είναι ανίκανη να χαρεί οτιδήποτε. Η κοινωνική κατακραυγή και η αβέβαιη θέση της τη ρίχνουν σε βαθιά μελαγχολία, που γίνεται μεγαλύτερη από την υποψία ότι ο Βρόνσκι δεν της είναι πια πιστός.

Προσωρινά βρίσκει καταφύγιο και παρηγοριά στην απατηλή ηρεμία που της χαρίζει η μορφίνη, αλλά πολύ σύντομα ανακαλύπτει ότι έχει βρεθεί σ' ένα τραγικό αδιέξοδο. Δεν υπάρχει πλέον άλλη λύση γι αυτήν από το θάνατο, κι έτσι η Άννα Καρένινα δίνει τέλος στη ζωή της πέφτοντας στις ρόδες ενός τρένου.

Παράλληλα, ο Τολστόι αφηγείται την ιστορία του Λέβιν, ενός πλούσιου κτηματία και φίλου της οικογένειας του αδερφού της Άννα, Στέφαν Αρκαγιέβιτς, ο οποίος αρχικά ζει εργένης στο χωριό απασχολούμενος με γεωργικές εργασίες και τη συγγραφή ενός βιβλίου για τη γεωργία στη Ρωσία. Στα μισά του βιβλίου παντρεύεται την Κίττυ, πράγμα που ήθελε από την αρχή του έργου, όμως η Κίττυ του είχε αρνηθεί, καθώς ήταν ερωτευμένη με τον Βρόνσκι. Η ιστορία του, που δεν είναι εντελώς ξεκομμένη από αυτή της Άννας, είναι γραμμένη εκ περιτροπής με τη δική της και είναι σχεδόν ισομεγέθης.

Στο τεράστιο αυτό μυθιστόρημα εκτυλίσσονται παράλληλα και άλλες ιστορίες και επεισόδια, όπως η απιστία του Στέφαν Αρκαγιέβιτς στη γυναίκα του, που αποτελεί και την αρχή του βιβλίου.