Jest rok 1874. Żywiołowa i piękna Anna Karenina (Keira Knightley) ma wszystko, do czego może aspirować kobieta tych czasów - jest żoną wysoko postawionego urzędnika państwowego (Jude Law), któremu dała upragnionego syna. Jej pozycja towarzyska w St. Petersburgu jest wysoka i ustabilizowana. Pewnego dnia Anna udaje się w podróż do Moskwy, której celem jest ratowanie małżeństwa jej brata Obłońskiego (Matthew Macfadyen). W drodze Anna poznaje Hrabinę Wrońską (Olivia Williams), na którą na jednej ze stacji czeka syn, pełen uroku oficer kawalerii Aleksiej Wrońsky (Aaron Taylor-Johnson). Kiedy tych dwoje zostaje sobie przedstawionych, natychmiast pojawia się wzajemne zauroczenie, które z czasem przerodzi się w płomienne uczucie.