安娜·卡列尼娜的哥哥奥布朗斯基公爵已经有五个孩子，仍和英国家庭女教师恋爱，因此和妻子多丽闹翻，安娜从彼得堡乘车到莫斯科去在莫斯科为哥嫂调解，在车站认识了青年军官渥伦斯基。渥伦斯基毕业于贵族军官学校，后涉足于莫斯科社交界，以其翩翩风度得到了多丽的妹妹吉提的垂青，但他只与她调情，并无意与她结婚。
而深爱着吉提的康斯坦丁·列文也从乡下来到莫斯科，他打算向吉提求婚。但早倾心于渥伦斯基的吉提却拒绝了他的求婚，她正想象着与渥伦斯基将来的幸福生活。渥伦斯基是一个身体强壮的、黝黑的男子，有着一副和蔼、漂亮而又异常沉静和果断的面孔。他的整个容貌和风采，令许多贵族小姐倾心。
在他看到安娜的一刹那，那刻被安娜所俘虏，他在薛杰巴斯大林基公爵家的舞会上，向安娜大献殷勤。而吉提精心打扮想象着渥伦斯基要正式向她求婚，在吉提眼里，安娜·卡列尼娜是那样的出众：“她那穿着简朴的黑衣裳的姿态是迷人的，她那带着手镯的圆圆的手臂是迷人的，她那生气勃勃的，美丽的脸蛋是迷人的，在舞会上……”
吉提发现渥伦斯基和安娜异常地亲热，这使她感到很苦闷。安娜不愿看到吉提痛苦，劝慰了兄嫂一番，便回彼得堡去了。随后渥伦斯基也来到彼得堡，开始对安娜的热烈的追求，他参加一切能见到安娜的舞会和宴会，从而引起上流社会的流言蜚语。起初，安娜还一直压抑着自己的情感，不久渥伦斯大林基的热情唤醒了安娜沉睡已久的爱情。
安娜的丈夫亚历山大·卡列宁其貌不扬，在官场中却是个地位显赫的人物，是一个“完全醉心于功名”的人物。他根本不懂什么是倾心相爱的情感，他认为：他和安娜的结合是神的意志。他责备妻子行为有失检点，要她注意社会性的舆论，明白结婚的宗教意义，以及对儿女的责任。他并不在乎妻子和别人相好，“而是别人注意到才使他不安”。
有一天，安娜与丈夫卡列宁一起去看一场盛大的赛马会，比赛中渥伦斯基从马上摔了下来，安娜情不自禁地大声惊叫，卡列宁认为安娜有失检点，迫使她提前退场。安娜无法忍受丈夫的虚伪与自私“我爱他……我憎恶你……”。卡列宁考虑了决斗但又怕死；离婚又损名誉，考虑再三最后决定“不能因为一个下贱的女人犯了罪的缘故使自己不幸”，于是他要安娜维持表面的夫妻关系。
安娜已怀了渥伦斯基的孩子，在她分娩时，由于产褥热而感染重病，拍电报给到边远省份去调查的卡列宁，卡列宁匆匆赶回，但心里希望妻子早点死掉，安娜在昏迷中呼唤卡列宁的名字，请求他与渥伦斯基和好，卡列宁深受感动，原谅了她和渥伦斯基。
由于卡列宁的令人吃惊的宽厚，渥伦斯基感到自己是那么的卑劣、渺小。安娜的爱情和自己的前途又是那么的渺茫，绝望、羞耻、负罪感使他举起了手枪自杀，但没有死。死而复生的安娜和渥伦斯基的爱情更加炽热，渥伦斯基带着安娜离开了彼得堡，他们到国外旅行去了。
在奥勃朗斯基家的宴会上，列文与吉提彼此消除了隔阂，互相爱慕。不久他们结婚了，婚后他们回到列文的农庄，吉提亲自掌管家务，列文撰写农业改革的论文，他们生活很幸福美满。
旅行了三个月，安娜感到无比的幸福，便她却以名誉和儿子为代价。归国后，她没有回家，而是住在旅馆里，由于思念儿子，在儿子谢辽沙生日那天，偷偷去看他，天真无邪的谢辽沙不放妈妈走，他含着泪说：“再没有比你更好的人了。”
他们返回彼得堡，遭到冷遇，旧日的亲戚朋友拒绝与安娜往来，使她感到屈辱和痛苦。渥伦斯基被重新踏入社交界的欲望和舆论的压力所压倒，与安娜分居，尽量避免与她单独见面，这使安娜感到很难过，她责问道：“我们还相爱不相爱？别人我们用不着顾虑。”
在一次晚会上，安娜受到卡尔塔索夫夫人的公开羞辱，回来后渥伦斯基却抱怨她，不该不听劝告去参加晚会。于是他们搬到渥伦斯基的田地庄上居住。渥伦斯基要安娜和卡列宁正式离婚，但她又担心儿子将来会看不起她。３个月过去了，离婚仍无消息。
渥伦斯基对安娜越来越冷淡了，他常常上俱乐部去，把安娜一个人扔在家里，安娜要求渥伦斯基说明：假如他不再爱她，也请他老实说出来，渥伦斯基大为恼火。一次，渥伦斯基到他母亲那儿处理事务，安娜问他的母亲是否要为他说亲，他要安娜不要诽谤他尊敬的母亲，安娜认识到渥伦斯基的虚伪，因为他并不爱他的母亲。
大吵之后，渥伦斯基愤然离去，她觉得一切都完了，安娜准备自己坐火车去找他，她想象着渥伦斯基现在正和他母亲及他喜欢的小姐谈心，她回想起这段生活，明白了自己是一个被侮辱、被抛弃的人，她跑到车站，在候车室里接到了渥伦斯基的来信，说他１０点钟才能回来，她决心“不让你折磨我了”，她倒在疾驰而过的车轮下。
卡列宁参加了安娜的葬礼，并把安娜生的女儿带走了。渥伦斯基受到良心的谴责，他志愿参军去塞尔维亚和土耳其作战，但愿求得一死。