В московском доме Облонских, где «всё смешалось» в конце зимы 1873 г., ждут сестру хозяина, Анну Аркадьевну Каренину. Причиной семейного разлада явилось то, что князь Степан Аркадьевич Облонский уличён своей женою в измене с гувернанткой. Тридцатичетырехлетний Стива Облонский искренне жалеет жену Долли, но, будучи человеком правдивым, не уверяет себя, будто раскаивается в содеянном. Жизнелюбивый, добрый и беспечный Стива давно уже не влюблён в свою жену, мать пятерых живых и двух умерших детей, и давно ей неверен.

Стива совершенно равнодушен к делу, которым занимается, служа начальником в одном из московских присутствий, и это позволяет ему никогда не увлекаться, не делать ошибок и прекрасно исполнять свои обязанности. Дружелюбный, снисходительный к человеческим недостаткам, обаятельный Стива пользуется расположением людей своего круга, подчинённых, начальников и вообще всех, с кем сводит его жизнь. Долги и семейные неурядицы огорчают его, но не могут испортить настроения настолько, чтобы заставить отказаться от обеда в хорошем ресторане. Обедает он с приехавшим из деревни Константином Дмитриевичем Левиным, своим ровесником и другом молодости.

Левин приехал для того, чтобы сделать предложение восемнадцатилетней княжне Кити Щербацкой, свояченице Облонского, в которую давно влюблён. Левин уверен, что такая, превыше всего земного находящаяся девушка, как Кити, не может любить его, обыкновенного помещика, без особенных, как он полагает, дарований. Вдобавок Облонский сообщает ему, что у него, по всей видимости, появился соперник — блестящий представитель петербургской «золотой молодёжи», граф Алексей Кириллович Вронский.

Кити знает о любви Левина и чувствует себя с ним легко и свободно; со Вронским же она испытывает непонятную неловкость. Но ей трудно разобраться в собственных чувствах, она не знает, кому отдать предпочтение. Кити не подозревает о том, что Вронский вовсе не намерен на ней жениться, и мечты о счастливом будущем с ним заставляют ее отказать Левину. Встречая приехавшую из Петербурга мать, Вронский видит на вокзале Анну Аркадьевну Каренину. Он сразу замечает особенную выразительность всего облика Анны: «Как будто избыток чего-то так переполнял ее существо, что мимо ее воли выражался то в блеске взгляда, то в улыбке». Встреча омрачается печальным обстоятельством: гибелью вокзального сторожа под колёсами поезда, которую Анна считает дурным предзнаменованием.

Анне удаётся уговорить Долли простить мужа; в доме Облонских устанавливается хрупкий мир, и Анна едет на бал вместе с Облонскими и Щербацкими. На балу Кити любуется естественностью и изяществом Анны, восхищается тем особенным, поэтическим внутренним миром, который является в каждом ее движении. Кити многого ждёт от этого бала: она уверена, что во время мазурки Вронский объяснится с нею. Неожиданно она замечает, как Вронский беседует с Анной: в каждом их взгляде чувствуется неодолимая тяга друг к другу, каждое слово решает их судьбу. Кити уезжает в отчаянии. Анна Каренина возвращается домой, в Петербург; Вронский следует за нею.

Себя одного виня в неудаче сватовства, Левин возвращается в деревню. Перед отъездом он встречается со старшим братом Николаем, живущим в дешёвых номерах с женщиной, которую взял из публичного дома. Левин любит брата, несмотря на его неудержимый характер, доставляющий множество неприятностей и ему самому, и окружающим. Тяжело больной, одинокий, пьющий, Николай Левин увлечён коммунистической идеей и организацией какой-то слесарной артели; это спасает его от презрения к самому себе. Свидание с братом усугубляет стыд и недовольство собою, которое испытывает после сватовства Константин Дмитриевич. Он успокаивается только в родовом своём поместье Покровском, решив ещё больше работать и не позволять себе роскоши — которой, впрочем, и прежде не было в его жизни.

Привычная петербургская жизнь, к которой возвращается Анна, вызывает у неё разочарование. Она никогда не была влюблена в мужа, бывшего много старше ее, и испытывала к нему только уважение. Теперь же его общество становится для неё тягостно, она замечает малейшие его недостатки: слишком большие уши, привычку трещать пальцами. Не спасает ее и любовь к восьмилетнему сыну Сереже. Анна пытается вернуть себе душевное равновесие, но это ей не удаётся — главным образом потому, что Алексей Вронский всячески добивается ее расположения. Вронский влюблён в Анну, и любовь его усиливается оттого, что роман с дамой большого света делает его положение ещё более блестящим. Несмотря на то что вся его внутренняя жизнь наполнена страстью к Анне, внешне Вронский ведёт обычную, весёлую и приятную жизнь гвардейского офицера: с Оперой, французским театром, балами, скачками и прочими удовольствиями. Но их отношения с Анной слишком отличаются в глазах окружающих от необременительного светского флирта; сильная страсть вызывает всеобщее осуждение. Алексей Александрович Каренин замечает отношение света к роману своей жены с графом Вронским и высказывает Анне своё недовольство. Будучи высокопоставленным чиновником, «всю жизнь свою Алексей Александрович прожил и проработал в сферах служебных, имеющих дело с отражениями жизни. И каждый раз, когда он сталкивался с самою жизнью, он отстранялся от неё». Теперь он чувствует себя в положении человека, стоящего над пучиной.

Попытки Каренина остановить неудержимое стремление жены к Вронскому, попытки самой Анны сдержать себя оказываются безуспешны. Через год после первой встречи она становится любовницей Вронского — понимая, что теперь они связаны навсегда, как преступники. Вронский тяготится неопределённостью отношений, уговаривает Анну оставить мужа и соединить свою жизнь с ним. Но Анна не может решиться на разрыв с Карениным, и даже то, что она ждёт ребёнка от Вронского, не придаёт ей решимости.

Во время скачек, на которых присутствует весь высший свет, Вронский падает со своей лошади Фру-Фру. Не зная, насколько серьёзно падение, Анна так неприкрыто выражает своё отчаяние, что Каренин вынужден немедленно увезти ее. Она объявляет мужу о своей неверности, об отвращении к нему. Это известие производит на Алексея Александровича впечатление выдернутого больного зуба: он избавляется наконец от страданий ревности и уезжает в Петербург, оставив жену на даче в ожидании его решения. Но, перебрав все возможные варианты будущего — дуэль с Вронским, развод, — Каренин решает оставить все без изменений, наказав и унизив Анну требованием соблюдать лживую видимость семейной жизни под угрозой разлуки с сыном. Приняв это решение, Алексей Александрович обретает достаточно спокойствия, чтобы с присущим ему упорным честолюбием отдаться размышлениям о делах службы. Решение мужа вызывает у Анны взрыв ненависти к нему. Она считает его бездушной машиной, не думающей о том, что у неё есть душа и потребность любви. Анна понимает, что загнана в угол, потому что не в силах променять своё нынешнее положение на положение любовницы, бросившей мужа и сына и заслуживающей всеобщего презрения.

Сохраняющаяся неопределённость отношений мучительна и для Вронского, в глубине души любящего порядок и имеющего незыблемый свод правил поведения. Он впервые в жизни не знает, как вести себя дальше, как привести свою любовь к Анне в согласие с житейскими правилами. В случае соединения с нею он вынужден будет выйти в отставку, и это тоже непросто для него: Вронский любит полковую жизнь, пользуется уважением товарищей; к тому же он честолюбив.

Жизнь троих людей опутана паутиной лжи. Жалость к мужу чередуется у Анны с отвращением; она не может не встречаться с Вронским, как того требует Алексей Александрович. Наконец наступают роды, во время которых Анна едва не умирает. Лёжа в родильной горячке, она просит прощения у Алексея Александровича, и у ее постели он испытывает жалость к жене, умилённое сострадание и духовную радость. Вронский же, которого Анна в беспамятстве отвергает, переживает жгучий стыд и унижение. Он пытается застрелиться, но его спасают.

Анна не умирает и, когда проходит душевное размягчение, вызванное близостью смерти, вновь начинает тяготиться мужем. Ни его порядочность и великодушие, ни трогательная забота о новорождённой девочке не избавляют ее от раздражения; она ненавидит Каренина даже за его добродетели. Через месяц после выздоровления Анна уезжает за границу с вышедшим в отставку Вронским и дочерью.

Живя в деревне, Левин занимается поместьем, читает, пишет книгу о сельском хозяйстве и предпринимает различные хозяйственные переустройства, не находящие одобрения у мужиков. Деревня для Левина — «место жизни, то есть радостей, страданий, труда». Мужики уважают его, за сорок вёрст ходят к нему советоваться — и его же норовят обмануть ради собственной выгоды. В отношении Левина к народу нет нарочитости: он считает себя частью народа, все его интересы связаны с крестьянами. Он восхищается силой, кротостью, справедливостью крестьян и раздражается от их беспечности, неряшливости, пьянства, лжи. В спорах с приехавшим в гости единоутробным братом Сергеем Ивановичем Кознышевым Левин доказывает, что земская деятельность не приносит пользы крестьянам, потому что не основывается ни на знании их истинных потребностей, ни на личном интересе помещиков.

Левин чувствует своё слияние с природой; он слышит даже рост весенней травы. Летом он косит вместе с мужиками, ощущая радость простого труда. Несмотря на все это, он считает свою жизнь праздной и мечтает переменить ее на трудовую, чистую и общую жизнь. В его душе постоянно совершаются неуловимые перемены, и Левин прислушивается к ним. Одно время ему кажется, что он обрёл спокойствие и забыл свои мечты о семейном счастье. Но эта иллюзия рассыпается в прах, когда он узнает о тяжёлой болезни Кити, а потом видит ее саму, едущую к сестре в деревню. Казавшееся мёртвым чувство вновь овладевает его сердцем, и только в любви он видит возможность разгадать великую загадку жизни.

В Москве, на обеде у Облонских, Левин встречается с Кити и понимает, что она любит его. В состоянии высшего душевного подъёма он делает Кити предложение и получает согласие. Сразу после венчания молодые уезжают в деревню.

Вронский с Анной путешествуют по Италии. Сначала Анна чувствует себя счастливою и полною радости жизни. Даже сознание того, что она разлучена с сыном, утратила своё честное имя и стала причиной несчастья мужа, не омрачает ее счастья. Вронский любовно-почтителен с нею, он все делает для того, чтобы она не тяготилась своим положением. Но сам он, несмотря на любовь к Анне, испытывает тоску и хватается за все, что может придать его жизни значительность. Он начинает заниматься живописью, но, имея достаточно вкуса, он знает свою посредственность и вскоре разочаровывается в этом занятии.

По возвращении в Петербург Анна отчётливо ощущает свою отверженность: ее не хотят принимать, знакомые избегают встреч с нею. Оскорбления света отравляют и жизнь Вронского, но, занятая своими переживаниями, Анна не хочет этого замечать. В день рождения Сережи она тайно едет к нему и, увидев наконец сына, почувствовав его любовь к себе, понимает, что не может быть счастлива в разлуке с ним. В отчаянии, в раздражении она упрекает Вронского в том, что он разлюбил ее; ему стоит больших усилий ее успокоить, после чего они уезжают в деревню.

Первое время супружеской жизни оказывается тяжело для Кити и Левина: они с трудом привыкают друг к другу, очарования сменяются разочарованиями, ссоры — примирениями. Семейная жизнь представляется Левину лодочкой: на скольжение по воде смотреть приятно, но править очень трудно. Неожиданно Левин получает известие о том, что брат Николай находится при смерти в губернском городе. Он немедленно собирается к нему; несмотря на его протесты, Кити решает ехать с ним. Увидев брата, испытав мучительную жалость к нему, Левин все-таки не может избавиться от страха и гадливости, которые вызывает в нем близость смерти. Он потрясён тем, что Кити совсем не боится умирающего и знает, как надо вести себя с ним. Левин чувствует, что только любовь жены спасает в эти дни от ужаса и его самого.

Во время беременности Кити, о которой Левин узнает в день смерти брата, семья продолжает жить в Покровском, куда на лето съезжаются родные и друзья. Левин дорожит душевной близостью, установившейся у него с женою, и мучается ревностью, боясь утратить эту близость.

Долли Облонская, гостящая у сестры, решает навестить Анну Каренину, которая живёт с Вронским в его имении, неподалёку от Покровского. Долли поражена переменами, произошедшими в Карениной, она чувствует фальшь ее нынешнего образа жизни, особенно заметную в сравнении с прежней живостью и естественностью. Анна развлекает гостей, пытается заниматься дочерью, чтением, устройством деревенской больницы. Но главная ее забота состоит в том, чтобы собою заменить Вронскому все, что он ради неё оставил. Их отношения становятся все более напряжёнными, Анна ревнует ко всему, чем он увлекается, даже к земской деятельности, которою Вронский занимается главным образом для того, чтобы не терять своей независимости. Осенью они перебираются в Москву, ожидая решения Каренина о разводе. Но, оскорблённый в лучших своих чувствах, отвергнутый женою, оказавшийся в одиночестве, Алексей Александрович подпадает под влияние известной спиритки, княгини Мягкой, которая уговаривает его из религиозных соображений не давать преступной жене развода.

В отношениях Вронского и Анны нет ни полного раздора, ни согласия. Анна обвиняет Вронского во всех тяготах своего положения; приступы отчаянной ревности мгновенно сменяются нежностью; то и дело вспыхивают ссоры. В сновидениях Анны повторяется один и тот же кошмар: какой-то мужичок наклоняется над нею, приговаривает бессмысленные французские слова и делает с нею что-то страшное. После особенно тяжёлой ссоры Вронский, вопреки желанию Анны, едет навестить мать. В полном смятении Анна видит свои отношения с ним, словно при ярком свете. Она понимает, что ее любовь делается все страстнее и себялюбивее, а Вронский, не утратив любви к ней, все-таки тяготится ею и старается не быть в отношении ее бесчестным. Пытаясь добиться его раскаяния, она едет за ним на вокзал, там вдруг вспоминает о человеке, раздавленном поездом в день их первой встречи, — и тут же понимает, что ей надо сделать. Анна бросается под поезд; последнее ее видение — бормочущий мужичок. После этого «свеча, при которой она читала исполненную тревог, обманов, горя и зла книгу, вспыхнула более ярким, чем когда-нибудь, светом, осветила ей все то, что прежде было во мраке, затрещала, стала меркнуть и навсегда потухла».

Жизнь становится постылой для Вронского; его мучает никому не нужное, но неизгладимое раскаяние. Он уезжает добровольцем на войну с турками в Сербию; Каренин берет к себе его дочь.

После родов Кити, ставших глубоким духовным потрясением для Левина, семья возвращается в деревню. Левин находится в мучительном разладе с самим собою — оттого, что после смерти брата и рождения сына не может разрешить для себя самые важные вопросы: смысла жизни, смысла смерти. Он чувствует, что близок к самоубийству, и боится ходить с ружьём, чтобы не застрелиться. Но вместе с тем Левин замечает: когда он не спрашивает себя, для чего живёт, — он ощущает в своей душе присутствие непогрешимого судьи, и жизнь его становится твёрдой и определённой. Наконец он понимает, что знание законов добра, данное лично ему, Левину, в евангельском Откровении, невозможно объять разумом и выразить словами. Теперь он чувствует себя способным вложить несомненный смысл добра в каждую минуту своей жизни.