Esta historia atemporal explora la capacidad del corazón humano para amar, al tiempo que muestra la fastuosa sociedad de la Rusia imperial. Nos encontramos en el año 1874. La preciosa y vivaz Anna Karenina (Keira Knightley) lleva la vida deseada por todas sus contemporáneas: está casada con Karenin (Jude Law), un importante funcionario al que ha dado un hijo, y su posición social en San Petersburgo es envidiable. Viaja a Moscú después de recibir una carta de su hermano, el mujeriego Oblonsky (Matthew Macfadyen), pidiéndole ayuda para salvar su matrimonio con Dolly (Kelly Macdonald). En el tren, Anna conoce a la condesa Vronsky (Olivia Williams), a la que espera su hijo, el elegante oficial de caballería Vronsky (Aaron Taylor-Johnson). Cuando Anna es presentada al oficial, surge una chispa mutua que ninguno de los dos ignorará.

Levin (Domhnall Gleeson), un terrateniente compasivo y sensible, es el mejor amigo de Oblonsky y tiene la intención de pedir la mano de Kitty (Alicia Vikander), la hermana pequeña de Dolly, pero no sabe que la joven está perdidamente enamorada de Vronsky. Ante el rechazo de Kitty, el entristecido Levin regresa a sus tierras de Pokrovskoe y se entrega a los trabajos del campo, mientras Kitty descubre con dolor, durante un baile, que su gran amor Vronsky no le quita ojo a Anna Karenina, que parece compartir sus sentimientos.

Anna, en un esfuerzo por recuperar la cordura, se apresura a regresar a San Petersburgo, donde la sigue Vronsky. Ella intenta recuperar su vida familiar, pero no deja de pensar en el joven oficial. Tienen una apasionada aventura que escandaliza a la sociedad de la capital. La situación de Karenin es insostenible y se ve obligado a dar un ultimátum a su esposa. En un desesperado intento por ser feliz, la decisión de Anna resquebraja el barniz de una sociedad obsesionada por el qué dirán, y da pie a las trágicas y románticas consecuencias que cambiarán dramáticamente su vida y la de los que la rodean.