アンナは夫と幼い一人息子の待つペテルブルクへ帰京するが、ヴロンスキーはアンナを追う。二人の関係は急速に深まるが、それを知ったカレーニンは世間体を気にして離婚に応じない。
アンナはヴロンスキーの子供を出産後、重態となる。そこへ駆けつけたカレーニンは寛大な態度でアンナを許す。その一連を目の当たりにしたヴロンスキーはアンナを失うことに絶望しピストル自殺を図るが、未遂に終わる。その後ヴロンスキーは退役して、回復したアンナを連れて外国に出奔する。
帰国したアンナとヴロンスキーの二人は、不品行が知れ渡り社交界から締め出され、やむなくヴロンスキーの領地に居を定めることになる。離婚の話は、狂信的な知人のカレーニンへの入れ知恵や、一人息子を奪われるというアンナの恐れなどの事情でなかなか進まない。自らの境遇に不満なアンナと領地の経営に熱中するようになったヴロンスキーとは次第に気持ちがすれ違い始め、アンナはヴロンスキーの愛情が他の女性に移ったのではないかとまで疑うようになる。ついに絶望したアンナは列車に身を投げる。生きる目的を見失ったヴロンスキーは、私費を投じて義勇軍を編成し、トルコとの戦争（露土戦争）に赴く。カレーニンはアンナとヴロンスキーの間の娘である幼子のアニー（カレーニンとアンナは離婚していないので、法律上はアニーはカレーニンの娘扱いとなっている）を引き取る。なお、カレーニンとヴロンスキーの名前は、どちらもアレクセイである。
主題.
また、この物語の主軸は、主人公アンナが、二人のアレクセイである、カレーニンとヴロンスキーの間を行き来することである、ともいえる。初めカレーニンの妻であったアンナは、ヴロンスキーに惹かれ、その妻となる。しかし、やがてヴロンスキーと心が離れ、最後にアンナは自殺してしまう。しかしアンナは娘であるアニーという形をとって生まれ変わり、再びカレーニンの下へ還るのである。
手法.
トルストイは、リアリズムの巨匠の一人と評され、本作品においても鋭敏な感性で登場人物の肉体や行動、および環境を描くことで、その人物の心理を表現するという作者一流のリアリズムの手法が駆使されている。その的確な描写力に加え、心理に対する深い洞察、厳密なことばの選択などが、数多くの登場人物の個性を鮮やかに描き分ける。また、修辞学を排し語義そのものを明らかにする直截的な文体が用いられている。