주인공 안나는 오빠 스테판의 불륜과 그 문제 해결에 도움을 주기 위해 페테르부르크에서 모스크바로 오게 된다. 안나의 노력으로 부부는 화해를 하게 되지만, 그곳에서 안나는 젊은 백작인 브론스키에게 한눈에 사로잡히고 만다. 한편 브론스키는 스테판의 처제 키티에게 구애하려 했으니 그 역시 안나에게 빠져든다. 키티는 브론스키가 청혼할 것으로 굳게 믿었기 때문에 귀족 레빈의 청혼을 거절해 버린다. 레빈 역시 키티에게 거절당한 후 낙담하여 시골로 돌아가 그곳에 파묻혀 지내면서, 농촌과 농민 문제에 대해 고민하며 살아간다.
한편 안나는 브론스키와의 관계를 남편에게 숨기며 그와 밀회를 계속한다. 그러나 남편은 물론이고 사교계의 모든 사람이 둘의 사이를 눈치챈다. 마침내 안나는 남편에게 사실을 대담하게 고백하고 이혼을 요구한다. 결국 안나는 브론스키의 딸을 낳고, 가족은 물론 사교계에도 커다란 파장을 일으킨다.
반면 키티는 마음의 병으로 휴양을 떠났다가 마음의 변화를 느끼며 돌아온다. 레빈은 그녀에 대한 자신의 마음이 변치 않았음을 확인하고, 마침내 둘은 결혼하게 된다. 한편 안나와 브론스키는 딸과 함께 외국을 전전하며 살아간다. 안나는 여전히 남편과의 이혼은 요원하고, 첫 아이인 아들에 대한 그리움이 커져 가자, 점점 더 브론스키에게 집착하게 되는데…….