I 1873 begynte han å skrive , som ble utgitt i 1877. Her skildres mørkt en kjærlighetshistorie i overklassemiljø mellom den gifte Anna Karenina og offiseren grev Vronskij. Som kontrast skildres også kjærligheten mellom paret Kitty og Levin, som lykkelig bosetter seg på landet og der arbeider og lever i kontakt med naturen. Denne boken, sammen med , blir regnet som Tolstojs mesterverker, og ga ham et internasjonalt gjennombrudd. Til tross for at Tolstoj var adelig, huset han en sterk medfølelse med bøndene hjemme på godset i Jasnaja Poljana. Han forsøkte på mange måter å forbedre bøndenes stilling, blant annet ved å starte en skole for bøndenes barn. Han deltok også selv i det krevende arbeidet på jordene og gikk kledd som en enkel bonde.