Ambientado no século 19, o filme traz Anna Karenina casada com o rico funcionário do governo Alexei Karenin (Jude Law, de Sherlock Holmes: O jogo de Sombras). Porém, quando ela viaja para consolar a cunhada que vive uma crise no casamento devido à infidelidade do marido, conhece o conde Vronsky (Aaron Johnson, O Garoto de Liverpool), que passa a cortejá-la.

Apesar da atração que sente, Anna decide voltar para sua cidade. Entretanto, Vronsky a encontra na estação de trem e confessa seu amor, fazendo com que Anna decida se separar de Karenin. Mas o marido se recusa a lhe conceder o divórcio e ainda a impede de ver o filho deles.