Romanın baş karakteri Anna Karenina, Rus aristokrasisine mensup şık ve güzel bir kadındır. Yüksek bir devlet memuru olan Aleksey Aleksandroviç Karenin ile evli ve bir çocuk sahibi olan Anna Karenina'nın sevgisiz ve monoton bir evlilik hayatı vardır.

Anna Karenina, bir gün eşini aldattığı ortaya çıkan ağabeyi Prens Stepan Arkadyaviç'in (Stiva) Moskova'daki evine, karı-kocayı barıştırmak üzere gider ve orada Vronski adlı bir genç kont ile tanışır. Vronski, Stiva'nın eşi Darya Aleksandrovna (Doli)'nın kız kardeşi Prenses Yekaterina Aleksandrovna Şçerbatski (Kiti)'ye kur yapan bir gençtir. Kiti, kendisine evlenme teklif eden Konstantin Dmitriyeviç Levin adlı bir başka genci, Vronski nedeniyle reddetmiştir. Levin ve Vronski arasında kararsız kalan Kiti, sade bir çiftçi olan Levin yerine parlak geleceği olan Vronski ile evlenmesini uygun bulan annesinin etkisiyle Levin'in teklifini geri çevirmiştir. Levin, köyüne dönüp Kiti'yi unutmaya çalışır. Ne var ki, Vronski, Anna ile tanıştıktan sonra Kiti'ye ilgisini kaybeder, Anna'ya kur yapmaya başlar. Vronski'nin ilgisini kaybetmesi ve ona karşı karşılıksız sevgi uğruna değer verdiği Levin'i yitirmesi, Kiti'nin üzüntüden hastalanmasına sebep olur. Ailesiyle birlikte gittiği bir Alman kaplıcasında sağlığına kavuşur ve Vronski'ye olan duygularını unutur.