彼得堡貴夫人安娜是皇室後裔，大官僚卡列甯的妻子。她的哥哥奧勃朗斯基住在莫斯科，過著放蕩的生活。他與過去的家庭女教師發生暖昧關系，妻子道麗發覺後，非常痛苦。安娜為了調解哥嫂糾紛來到莫斯科，在火車站與近衛軍軍官渥倫斯基邂逅。安娜的高雅風姿和笑容中蘊含的一股被壓抑的生氣使渥倫斯基為之傾倒。
與此同時莊園貴族列文也來到莫斯科，他已年過三十，感到建立家庭的需要，決定向他青年時代就喜愛的吉提求婚，而當時吉提正迷戀著渥倫斯基，她拒絕了列文。但渥倫斯基見到安娜後就不再與吉提交往。安娜的到來使道麗和丈夫言歸于好，卻使道麗的妹妹吉提陷入不幸。
列文回到鄉下，埋頭從事農業改革，希望以此忘卻個人生活上的失意。他嘗試養育優種牲畜，引進農業機器，但總不能得到應有的效益。
安娜在歸途中發現渥倫斯基也同車而行，她心神不甯，卻又興奮，回到彼得堡後，安娜和渥倫斯基在社交場合經常相遇，在一次宴會上渥倫斯基向安娜表白了愛情。他們兩人單獨在一起時間過長，引起人們議論，回到家卡列甯警告安娜要注意社交禮儀、遵守婦道。而這種官腔和說教反而使安娜關閉了心靈之門，從此她陷入情網而不能自拔。安娜與渥倫斯基的關系在賽馬會上終于暴露：當渥倫斯基的馬摔倒時，安娜的態度完全失常。回家途中安娜向丈夫承認了她是渥倫斯基的情人，但卡列甯卻要求安娜一切維持現狀，只是不許在家里接待渥倫斯基。
列文在農村常和農民一起勞動，向往過一種全新的生活，像農民一樣樸實，但得知吉提曾大病一場，在國外療養後即將回來，又激發了對她的愛，列文再次求婚，他們終于結合了。婚後住在莊園里，過著美滿的生活，但是列文並沒有得到真正的幸福。他在農業上的各種設想常常失敗，農民不信任地主。他幻想建立一種股東聯營方式，使農民和地主同樣得益，達到”以利害的調和和一致來代替互相仇視”，但各種新方法、新措施都無效。他不知道該如何生活，苦惱得幾乎自殺，最後從一個老農那兒得到了啟示：“人活著不是為了填飽肚子，而是為了靈魂，為了上帝。”
安娜的處境越來越糟，她懷了孕，分娩時又患產褥熱，幾乎死去，病危時她向丈夫請求寬恕，並希望他與渥倫斯基和好，卡列甯出于基督徒的感情答應了她的要求。可是安娜病愈後又無法繼續與丈夫生活下去，終于不等丈夫同意離婚，就與渥倫斯基一起到國外去了。在歐洲旅行三個月回來，安娜思念兒子，在謝遼沙生日時，她不顧一切撞進自己住過九年的那幢房子。看到兒子她激動異常，母子倆緊緊擁抱，難分難舍。直到卡列甯走進兒童室，安娜才不得不匆匆離去。從此，安娜永遠失去了心愛的兒子，得不到離婚許可，與渥倫斯基只能是非法結合，上流社會的大門對她緊閉，處處遭受冷遇。她只能孤獨地住在渥倫斯基的莊園里，想方設法消磨時間。當渥倫斯基一人外出時她就懷疑他另有新歡，因此兩人發生口角。一次在爭吵後安娜陷入絕望境地，一面寫信發電報，一面追隨渥倫斯基到了火車站。這時，她朦朧中想起他們第一次的相見以及當時一個工人被軋死的情景。這仿佛暗示了她的歸宿。安娜向正在駛來的火車撲倒下去，生命的火焰熄滅了，她的痛苦也永遠擺脫了。