У московському домі Облонських, де «все змішалося» наприкінці зими 1873 р чекають сестру господаря, Анну Аркадіївну Кареніну. Причиною сімейного розладу стало те, що князь Степан Аркадійович Облонский викритий своєї женою в зраді з гувернанткою. Тридцятичотирирічний Стіва Облонский щиро шкодує дружину Доллі, але, будучи людиною правдивим, що не запевняє себе, ніби кається у скоєному. Життєлюбний, добрий і безтурботний Стіва давно вже не закоханий в свою дружину, матір п'ятьох живих і двох померлих дітей, і давно їй невірний.
Стіва абсолютно байдужий до справи, якою займається, служачи начальником в одному з московських присутності, і це дозволяє йому ніколи не захоплюватися, не робити помилок і прекрасно виконувати свої обов'язки. Доброзичливий, поблажливий до людських недоліків, чарівний Стіва користується прихильністю людей свого кола, підлеглих, начальників і взагалі всіх, з ким зводить його життя. Борги і сімейні негаразди засмучують його, але не можуть зіпсувати настрою настільки, щоб змусити відмовитися від обіду в хорошому ресторані. Обідає він з приїхали з села Костянтином Дмитровичем Левіним, своїм ровесником і другом молодості.
Левін приїхав для того, щоб зробити пропозицію вісімнадцятирічної княжні Кіті Щербацкой, своячениці Облонского, в яку давно закоханий. Левін упевнений, що така, понад усе земного знаходиться дівчина, як Кіті, не може любити його, звичайного поміщика, без особливих, як він вважає, обдарувань. До того ж Облонский повідомляє йому, що у нього, як видно, з'явився суперник - блискучий представник петербурзької «золотої молоді», граф Олексій Кирилович Вронський.
Кити знає про любов Левіна і відчуває себе з ним легко і вільно; зі Вронська ж вона відчуває незрозумілу незручність. Але їй важко розібратися у власних почуттях, вона не знає, кому віддати перевагу. Кити не підозрює про те, що Вронський зовсім не має наміру з нею одружитися, і мрії про щасливе майбутнє з ним змушують її відмовити Левіну. Зустрічаючи приїхала з Петербурга мати, Вронський бачить на вокзалі Ганну Аркадіївну Кареніну. Він відразу зауважує особливу виразність всього вигляду Анни: «Неначе надлишок чогось так переповнював її істоту, що мимо її волі виражався то в блиску погляду, то в усмішці». Зустріч затьмарюється сумним обставиною: загибеллю вокзального сторожа під колесами поїзда, яку Анна вважає поганою ознакою.
Ганні вдається вмовити Доллі пробачити чоловіка; в будинку Облонських встановлюється крихкий мир, і Ганна їде на бал разом з Облонських і Щербацких. На балу Кіті милується природністю і витонченістю Анни, захоплюється тим особливим, поетичним внутрішнім світом, який є в кожному її русі. Кити багато чого чекає від цього балу: вона впевнена, що під час мазурки Вронський порозумітися з нею. Несподівано вона зауважує, як Вронський розмовляє з Ганною: у кожному їхньому погляді відчувається нездоланна тяга один до одного, кожне слово вирішує їхню долю. Кити їде в розпачі. Анна Кареніна повертається додому, до Петербурга; Вронський слід за нею.
Себе одного звинувачуючи в невдачі сватання, Левін повертається в село. Перед від'їздом він зустрічається зі старшим братом Миколою, що живуть в дешевих номерах з жінкою, яку взяв з будинку розпусти. Левін любить брата, незважаючи на його нестримний характер, який доставляє безліч неприємностей і йому самому, і оточуючим. Тяжко хворий, самотній, питущий, Микола Левін захоплений комуністичною ідеєю і організацією якийсь слюсарної артілі; це рятує його від презирства до самого себе. Побачення з братом посилює сором і невдоволення собою, яке відчуває після сватання Костянтин Дмитрович. Він заспокоюється тільки в родовому своєму маєтку Покровському, вирішивши ще більше працювати і не дозволяти собі розкоші - якої, втім, і раніше не було в його житті.
Звична петербурзька життя, до якої повертається Анна, викликає у неї розчарування. Вона ніколи не була закохана в чоловіка, колишнього багато старший за неї, і відчувала до нього тільки повагу. Тепер же його суспільство стає для неї обтяжливо, вона зауважує найменші його недоліки: занадто великі вуха, звичку тріщати пальцями. Не рятує її і любов до восьмирічного сина Сергійка. Анна намагається повернути собі душевну рівновагу, але це їй не вдається - головним чином тому, що Олексій Вронський всіляко добивається її розташування. Вронський закоханий в Анну, і любов його посилюється від того, що роман з жінкою великого світла робить його становище ще більш блискучим. Незважаючи на те що вся його внутрішня життя наповнене пристрастю до Анни, зовні Вронський веде звичайну, веселу і приємну життя гвардійського офіцера: з Оперою, французьким театром, балами, стрибками та іншими задоволеннями. Але їхні стосунки з Ганною занадто відрізняються в очах оточуючих від необтяжливо світського флірту; сильна пристрасть викликає загальний осуд. Олексій Олександрович Каренін зауважує відношення світла до роману своєї дружини з графом Вронским і висловлює Ганні своє невдоволення. Будучи високопоставленим чиновником, «все життя свою Олексій Олександрович прожив і пропрацював в сферах службових, що мають справу з відбитками життя. І кожен раз, коли він стикався з самою життям, він відмежовувався від неї ». Тепер він відчуває себе в становищі людини, що стоїть над безоднею.
Спроби Каренина зупинити нестримне прагнення дружини до Вронського, спроби самої Ганни стримати себе виявляються безуспішними. Через рік після першої зустрічі вона стає коханкою Вронського - розуміючи, що тепер вони пов'язані назавжди, як злочинці. Вронський тяготиться невизначеністю відносин, вмовляє Анну залишити чоловіка і поєднати своє життя з ним. Але Анна не може зважитися на розрив з Кареніним, і навіть те, що вона чекає дитину від Вронського, не надає їй рішучості.
Під час скачок, на яких присутній весь вищий світ, Вронський падає зі свого коня Фру-Фру. Не знаючи, наскільки серйозно падіння, Ганна так неприкрито висловлює своє відчай, що Каренін змушений негайно відвезти її. Вона оголошує чоловікові про свою невірності, про відразу до нього. Ця звістка справляє на Олексія Олександровича враження висмикнутого хворого зуба: він позбавляється нарешті від страждань ревнощів і їде в Петербург, залишивши дружину на дачі в очікуванні його рішення. Але, перебравши всі можливі варіанти майбутнього - дуель з Вронским, розлучення, - Каренін вирішує залишити все без змін, покаравши і принизивши Ганну вимогою дотримуватися брехливу видимість сімейного життя під загрозою розлуки з сином. Прийнявши це рішення, Олексій Олександрович знаходить досить спокою, щоб з властивим йому наполегливою честолюбством віддатися роздумам про справи служби. Рішення чоловіка викликає у Анни вибух ненависті до нього. Вона вважає його бездушною машиною, що не думаючої про те, що у неї є душа і потреба любові. Анна розуміє, що загнана в кут, тому що не в силах проміняти своє нинішнє становище на становище коханки, яка кинула чоловіка і сина і такою, що заслуговує загального презирства.
Зберігається невизначеність відносин болісна і для Вронського, в глибині душі люблячого порядок і має непорушний звід правил поведінки. Він вперше в житті не знає, як вести себе далі, як привести свою любов до Анни в згоду з життєвими правилами. У разі з'єднання з нею він змушений буде піти у відставку, і це теж непросто для нього: Вронський любить полкову життя, користується повагою товаришів; до того ж він честолюбний.
Життя трьох людей обплутана павутиною брехні. Жалість до чоловіка чергується у Анни з огидою; вона не може не зустрічатися з Вронским, як того вимагає Олексій Олександрович. Нарешті наступають пологи, під час яких Анна ледь не вмирає. Лежачи в пологової гарячці, вона просить вибачення в Олексія Олександровича, і біля її ліжка він відчуває жалість до дружини, розчулено співчуття і духовну радість. Вронський же, якого Анна в нестямі відкидає, переживає пекучий сором і приниження. Він намагається застрелитися, але його рятують.
Анна не вмирає і, коли проходить душевне розм'якшення, викликане близькістю смерті, знову починає перейматися чоловіком. Ні його порядність і великодушність, ні зворушлива турбота про новонародженої дівчинки не позбавляють її від роздратування; вона ненавидить Кареніна навіть за його чесноти. Через місяць після одужання Ганна їде за кордон з вийшли у відставку Вронська та дочкою.
Живучи в селі, Левін займається маєтком, читає, пише книгу про сільське господарство і робить різні господарські перебудови, що не знаходять схвалення у мужиків. Село для Левіна - «місце життя, тобто радостей, страждань, праці». Мужики поважають його, за сорок верст ходять до нього радитися - і його ж норовлять обдурити заради власної вигоди. Відносно Левіна до народу немає навмисності: він вважає себе частиною народу, всі його інтереси пов'язані з селянами. Він захоплюється силою, лагідністю, справедливістю селян і дратується від їх безпечності, неохайності, пияцтва, брехні. У суперечках з приїхали в гості єдиноутробним братом Сергієм Івановичем Кознишева Левін доводить, що земська діяльність не приносить користі селянам, тому що не ґрунтується на знанні їх істинних потреб, ні на особистому інтересі поміщиків.
Левін відчуває своє злиття з природою; він чує навіть зростання весняної трави. Влітку він косить разом з мужиками, відчуваючи радість простого праці. Незважаючи на все це, він вважає своє життя дозвільної та мріє змінити її на трудову, чисту і спільне життя. У його душі постійно відбуваються невловимі зміни, і Левін прислухається до них. У свій час йому здається, що він знайшов спокій і забув свої мрії про сімейне щастя. Але ця ілюзія розсипається в прах, коли він дізнається про важку хворобу Кіті, а потім бачить її саму, яка їхала до сестри в село. Що Здавалося мертвим почуття знову опановує його серцем, і тільки в любові він бачить можливість розгадати велику загадку життя.
У Москві, на обіді у Облонських, Левін зустрічається з Кити і розуміє, що вона любить його. У стані вищого душевного підйому він робить Кіті пропозицію і дістає згоду. Відразу після вінчання молоді їдуть у село.
Вронський з Ганною подорожують по Італії. Спочатку Ганна відчуває себе щасливою і повною радості життя. Навіть свідомість того, що вона розлучена з сином, втратила своє чесне ім'я і стала причиною нещастя чоловіка, не затьмарює її щастя. Вронський любовно-шанобливий з нею, він все робить для того, щоб вона не нудьгувала своїм становищем. Але сам він, незважаючи на любов до Анни, відчуває тугу і хапається за все, що може надати його життя значущість. Він починає займатися живописом, але, маючи досить смаку, він знає свою посередність і незабаром розчаровується в цьому занятті.
Після повернення в Петербург Анна чітко відчуває свою відторгнутість: її не хочуть приймати, знайомі уникають зустрічей з нею. Образи світла отруюють і життя Вронського, але, зайнята своїми переживаннями, Ганна не хоче цього помічати. У день народження Сергія вона таємно їде до нього і, побачивши нарешті сина, відчувши його любов до себе, розуміє, що не може бути щаслива в розлуці з ним. У розпачі, в роздратуванні вона дорікає Вронського в тому, що він розлюбив її; йому варто великих зусиль її заспокоїти, після чого вони їдуть в село.
Перший час подружнього життя виявляється важко для Кіті і Левіна: вони ніяк не звикають один до одного, чарівності змінюються розчаруваннями, сварки - примирення. Сімейне життя представляється Левіну човником: на ковзання по воді дивитися приємно, але правити дуже важко. Несподівано Левін одержує звістку про те, що брат Микола перебуває при смерті в губернському місті. Він негайно збирається до нього; незважаючи на його протести, Кіті вирішує їхати з ним. Побачивши брата, випробувавши болісну жалість до нього, Левін все-таки не може позбутися страху і огиди, які викликає в ньому близькість смерті. Він вражений тим, що Кіті зовсім не боїться вмираючого і знає, як треба поводитися з ним. Левін відчуває, що тільки любов дружини рятує в ці дні від жаху і його самого.
Під час вагітності Кити, про яку Левін впізнає в день смерті брата, сім'я продовжує жити в Покровському, куди на літо з'їжджаються рідні і друзі. Левін дорожить душевної близькістю, яка встановилася у нього з дружиною, і мучиться ревнощами, боячись втратити цю близькість.
Доллі Облонських, гостює у сестри, вирішує відвідати Анну Кареніну, яка живе з Вронским в його маєтку, неподалік від Покровського. Доллі вражена змінами, що відбулися в Кареніної, вона відчуває фальш її нинішнього способу життя, особливо помітну в порівнянні з колишньою жвавістю і природністю. Анна розважає гостей, намагається займатися дочкою, читанням, пристроєм сільської лікарні. Але головна її турбота полягає в тому, щоб собою замінити Вронського все, що він заради неї залишив. Їхні стосунки стають все більш напруженими, Ганна ревнує до всього, чим він захоплюється, навіть до земської діяльності, якою Вронський займається головним чином для того, щоб не втрачати своєї незалежності. Восени вони перебираються до Москви, очікуючи рішення Кареніна про розлучення. Але, ображений в кращих своїх почуттях, відкинутий женою, який опинився на самоті, Олексій Олександрович підпадає під вплив відомої спіріткі, княгині М'якою, яка вмовляє його з релігійних міркувань не давати злочинної дружині розлучення.
У відносинах Вронського і Анни немає ні повного розбрату, ні згоди. Анна звинувачує Вронського у всіх тяготи свого становища; напади відчайдушною ревнощів миттєво змінюються ніжністю; раз у раз спалахують сварки. У сновидіннях Анни повторюється один і той же кошмар: якийсь чоловік нахиляється над нею, присуджує безглузді французькі слова і робить з нею щось страшне. Після особливо важкої сварки Вронський, всупереч бажанню Анни, їде відвідати матір. У повному сум'ятті Ганна бачить свої відносини з ним, немов при яскравому світлі. Вона розуміє, що її любов робиться все палкіше і себелюбна, а Вронський, не втративши кохання до неї, все-таки тяготиться нею і намагається не бути відносно її безчесним. Намагаючись добитися його каяття, вона їде за ним на вокзал, там раптом згадує про людину, роздавленому поїздом в день їх першої зустрічі, - і тут же розуміє, що їй треба зробити. Анна кидається під поїзд; Останнім її бачення - що бурмоче мужичок. Після цього «свічка, при якій вона читала виконану тривог, обманів, горя і зла книжку, спалахнула яскравим, ніж коли-небудь, світлом, освітила їй все те, що було в темряві, затріщала, стала згасати і назавжди згасла».
Життя стає набридлого для Вронського; його мучить нікому не потрібне, але незабутнє каяття. Він їде добровольцем на війну з турками в Сербію; Каренін бере до себе його дочка.
Після пологів Кити, що стали глибоким духовним потрясінням для Левіна, сім'я повертається в село. Левін перебуває в болісному розладі з самим собою - тому, що після смерті брата і народження сина не може дозволити для себе найважливіші питання: сенсу життя, сенсу смерті. Він відчуває, що близький до самогубства, і боїться ходити з рушницею, щоб не застрелитися. Але разом з тим Левін зауважує: коли він не задається питанням, для чого живе, - він відчуває в своїй душі присутність непогрішимого судді, і життя його стає твердою і певною. Нарешті він розуміє, що знання законів добра, дане особисто йому, Левіну, в євангельському Одкровенні, неможливо осягнути розумом і висловити словами. Тепер він відчуває себе здатним вкласти безсумнівний сенс добра в кожну хвилину свого життя.