Die schöne und lebenslustige Anna Karenina (Keira Knightley) hat alles, was sich ihre Zeitgenossinnen erträumen: Sie ist die Ehefrau von Karenin (Jude Law), ein hochrangiger Regierungsbeamter, dem sie einen Sohn geboren hat, und ihr Status in der St. Petersburger Gesellschaft könnte kaum höher sein. Nachdem sie einen Brief ihres Bruders Oblonskij (Matthew Macfadyen) erhalten hat, der ein frivoler Schürzenjäger ist, reist Anna nach Moskau, um Oblonskijs Ehe mit Dolly (Kelly Macdonald) zu retten. Auf dem Weg nach Moskau macht sie im Zug Bekanntschaft mit Gräfin Wronskij (Olivia Williams), die von ihrem Sohn, dem attraktiven Kavallerie-Offizier Wronskij (Aaron Taylor-Johnson), am Bahnhof erwartet wird. Als Anna dann Wronskij vorgestellt wird, fühlen sich beide augenblicklich zueinander hingezogen. Und der Macht dieser Begierde können - und werden - sie sich nicht widersetzen. Die Moskauer Familie hat auch Besuch von Oblonskijs bestem Freund Levin (Domhnall Gleeson), ein überaus sensibler und mitfühlender Großgrundbesitzer. Levin liebt Dollys jüngere Schwester Kitty (Alicia Vikander) und macht ihr einen Antrag, doch Kitty hat nur Augen für Wronskij. Levin ist am Boden zerstört und kehrt auf sein Landgut Pokrovskoje zurück, wo er sich in die Arbeit stürzt. Doch auch Kitty bricht das Herz, als Wronskij auf einem großen Ball wiederum nur Augen für Anna hat – und die verheiratete Frau das Interesse des jüngeren Mannes offensichtlich erwidert.