Russie, 1874, la belle et ardente Anna Karénine (Keira Knightley) jouit de tout ce à quoi ses contemporains aspirent : mariée à Karénine (Jude Law), un haut fonctionnaire du gouvernement à qui elle a donné un fils, elle a atteint un éminent statut social à Saint-Pétersbourg. À la réception d’une lettre de son incorrigible séducteur de frère Oblonski (Matthew Macfadyen), la suppliant de venir l’aider à sauver son mariage avec Dolly (Kelly Macdonald), elle se rend à Moscou. Au cours de son voyage, elle rencontre la comtesse Vronski (Olivia Williams) que son fils (Aaron Taylor-Johnson), un charmant officier de la cavalerie, vient accueillir à la gare. Quelques brefs échanges suffisent pour éveiller en Anna et Vronski une attirance mutuelle. nOblonski reçoit également la visite de son meilleur ami Levine (Domhnall Gleeson), un propriétaire terrien sensible et idéaliste. Éprit de la soeur cadette de Dolly, Kitty (Alicia Vikander), il la demande gauchement en mariage, mais Kitty n’a d’yeux que pour Vronski. Dévasté, Levine se retire à Pokrovskoïe et se consacre entièrement à la culture de ses terres. Mais le coeur de Kitty est lui aussi brisé quand elle prend conscience, lors d’un grand bal, de l’infatuation réciproque d’Anna et Vronski. Anna, désorientée, rentre à Saint-Pétersbourg, mais Vronski l’y suit. Elle s’évertue à reprendre sa calme vie de famille mais son obsession pour le jeune officier ne cesse de la tourmenter. Elle s’abandonne alors à une relation adultère qui scandalise toute l’aristocratie locale. Le statut et la respectabilité de Karénine sont mis en péril, le poussant à lancer un ultimatum à sa femme. Dans sa recherche éperdue de bonheur, Anna révèle au grand jour l’hypocrisie d’une société obsédée par le paraître. Incapable de renoncer à sa passion, elle fait le choix du coeur.