故事以雙線進行，一為安娜，一為列文。托氏以二人為軸，描寫出不同的婚姻和家庭生活，更進一步則寫出當時俄國政治，宗教，農事景象。
在文中，列文為托爾斯泰之化身，代表著19世紀60、70年代的社會轉型催生者。列文重視農事，對貴族生活不甚投入，住在鄉村和指導農民工作。列文熱愛吉蒂，起初求婚被拒，幾經波折才終於成功。
女主角安娜年輕時和丈夫亞歷山大·卡列寧（Alexei Alexandrovich Karenin）結合，本婚姻美滿育有一子。安娜在交際場上光芒四射，卡列寧亦於仕途上成功。
故事始於奧布朗斯基公爵和法國家庭女教師戀愛，與妻子道麗鬧翻，求助於其妹安娜。安娜從聖彼得堡到莫斯科替二人調解，在車站認識了年輕軍官佛倫斯基（Alexei Kirillovich Vronsky）。並在莫斯科一次舞會中和佛倫斯基發生致命的戀情，自此不能自拔，佛倫斯基為求得安娜，追隨至聖彼得堡，兩人陷入熱戀，安娜懷孕後向丈夫承認了私情。卡列寧一度想與妻子分居，但為存面子，拒絕離婚並要求妻子終止戀情。後來安娜分娩時難產，在死亡面前，得到卡列寧的原諒。病後安娜無法壓抑愛，終於離家出走。
佛倫斯基帶著安娜前往義大利旅行，這時安娜感到無比的幸福。其後回到俄羅斯於兒子生日時按捺不住會見自己的兒子，卻無法容於俄國社會。上流社會把安娜看作墮落的人斷絕和她的往來。安娜移居鄉下靠寫作打發時間，二人共處日久，佛倫斯基和安娜在生活上的不信任日增，安娜認為情人為前途名譽離她而去，沮喪失望之下，為處罰佛倫斯基在火車駛近時跳下火車月台。葬禮之後，亞歷山大·卡列寧帶走她的女兒，佛倫斯基受到良心的譴責大病一場，後來志願從軍前往巴爾幹參戰求死。
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