Anna Karanina, Rus aristokrasisinden iyi yetiştirilmiş, ince ve kültürlü bir kadındır. Araları açılan kardeşiyle yengesini barıştırmak için Moskova'ya gittiği sırada yakışıklı bir genç olan Kont Aleski Vronski ile tanışır. İkili arasında birbirlerini çok seven duygusal bir ilişki başlar. Anna'nın yüksek devlet memuru olan kocası Karen, karısının başka birini sevmesine karışmasa da mevkisinin sarsılacağından korkmaktadır ve çiftin Seryoz adında küçük bir oğulları vardır.
Anna, Vronski'den hamile kalır. Vronski sevgilisinden kocasından ayrılmasını ister ancak kocası ayrılmaya yanaşmaz ve Vronski ile ilişkisini sürdürürse oğlunu ondan uzaklaştıracağını söyler. Tehlikeli bir doğum yapan Anna, iyileştikten sonra sevgilisi Vronski ve küçük kızını alarak İtalya'ya giderler.
Dönüşlerinde Kocasından ayrılmamış olan Anna, Vronski'nin köşküne yerleşir. Arada bir gizlice oğlunu görmeye giden, vicdan azabı çeken ve kızını da sevmediğini anlayan Anna, Vronski'nin bir başka kadına bağlanmasıyla bunalımını derinleştirir. Sonunda kendisini Vronski ile tanıştıkları tren istasyonunda bularak kendini bir trenin altına atar ve yaşamına son verir. Anna'nın ölümünden sonra Vronski orduya döner, yaşama sevincini yitirmiş ve çökmüş bir haldedir.
Kitaptaki diğer önemli karakterlerden Konstantin Levin, Anna'nın yengesine akraba olan Kitti'ye aşıktır. Kitti'den ilk başta olumlu yanıt alamasa da daha sonra evlenebilmişlerdir. Levin, evlilik sonrası bunalımlardan kurtularak mutlu olmuştur.