Después de seducir a Ana, Vronsky se ve inmerso en un turbulento amor por el que está dispuesto a renunciar a todo: su brillante carrera militar, su estatus social y la riqueza de su aristocrática familia. A raíz del nacimiento de Annoushka, fruto de su relación con el joven conde, la nostalgia se apodera de Ana, que busca la perfección del amor que su amante no llega a colmar.
Mientras su marido Aleksei Karenin se opone a condederle el divorcio, el sentimiento de culpabilidad y los celos hacen mella en Ana, que sufre el ostracismo que le impone la aristocracia rusa mientras Vronsky reanuda sin problemas su círculo de amistades. Por otra parte, Kitty, animada por Dolly, se arma de coraje para retomar su relación con Levin, con el que se casa poco después y en quien acaba encontrando el amor.
La compleja vida de Ana se apaga inesperadamente cuando, tras la enésima discusión con su amante, se dirige a la estación, donde se suicida lanzándose a las vías del tren. Tras la tragedia, el conde Vronsky decide ir al frente donde espera poder mitigar el dolor que le embarga. Sumamente afligidos por la muerte de Ana, Karenin y Seryozha prosiguen la vida junto a Annoushka, la hija de Ana y de su amor imposible.