Jest rok 1874. Żywiołowa i piękna Anna Karenina (Keira Knightley) ma wszystko, do czego może aspirować kobieta tych czasów - jest żoną Karenina (Jude Law), wysoko postawionego urzędnika państwowego, któremu dała upragnionego syna. Jej pozycja towarzyska w St. Petersburgu jest wysoka i ustabilizowana. Pewnego dnia Anna udaje się w podróż do Moskwy, której celem jest uratowanie małżeństwa swojego niewiernego brata Obłońskiego (Matthew Macfadyen) oraz Dolly (Kelly Macdonald). W drodze Anna zaznajamia się z Hrabiną Wrońską (Olivia Williams), na którą na jednej ze stacji czeka syn, pełen uroku oficer kawalerii Aleksiej Wrońsky (Aaron Taylor-Johnson). Kiedy tych dwoje zostaje sobie przedstawionych natychmiast pojawia się wzajemne zauroczenie, które z czasem przerodzi się w płomienne uczucie.
Tymczasem w Moskwie pojawia się również przyjaciel brata Anny, Lewin (Domhnall Gleeson), wrażliwy i oddany swojej pracy właściciel ziemski. On z kolei jest szaleńczo zakochany w młodszej siostrze Dolly, Kitty (Alicia Vikander). Lewin oświadcza się Kitty, ona jednak jest zauroczona Wrońskim i nie przyjmuje propozycji małżeństwa. Zdruzgotany Lewin wraca do swojej posiadłości Pokrowskoje, gdzie rzuca się w wir pracy, co ma mu pomóc zapomnieć o niedoszłej narzeczonej. Z kolei Kitty przeżywa miłosne katusze, kiedy na jednym z wystawnych bali w stolicy Wroński w nieskrywany sposób wyraża zachwyt Anną, kobietą zamężną, która najwyraźniej odwzajemnia płomienne uczucie młodego adoratora.
Anna broni się przed obezwładniającym ją uczuciem i desperacko stara się odzyskać równowagę decydując się na nagły powrót do St. Petersburga. W ślad za nią rusza Wroński. Anna stara się zająć swoje myśli podejmując codzienne obowiązki rodzinne, jednak uczucie okazuje się silniejsze. Między Anną i Wrońskim nawiązuje się romans, który stanie się głównym tematem plotek i wywoła skandal w petersburskiej socjecie. W takiej sytuacji mąż Anny, Karenin stawia jej ultimatum, które okaże się brzemienne w skutkach dla wszystkich. Walcząc o swoje prawo do szczęścia i miłości Anna podejmuje decyzję, która wstrząśnie skostniałą, obsesyjnie dbającą o swój wizerunek śmietanką towarzyską Petersburga, przynosząc jednocześnie tragiczne konsekwencje dla niej samej i jej najbliższych.
