아름다운 외모와 교양을 갖춘 사교계의 꽃 안나 카레니나(키이라 나이틀리). 러시아 정계의 최고 정치가인 남편 카레닌(주드 로), 8살 아들과 함께 호화로운 저택에서 행복한 결혼 생활을 하고 있지만, 고루하고 이성적인 남편에게 염증을 느낀다. 낯선 파티에서도 안나의 아름다움은 시선을 고정시키고, 그녀 앞에 매력적인 외모의 젊은 장교 브론스킨(아론 존슨)이 나타난다. 안나는 애써 브론스킨을 외면하지만, 그의 저돌적인 애정공세에 결국 치명적 사랑에 빠지게 된다. 뜨거운 욕망에 사로잡힌 안나는 브론스킨과 위험한 관계를 이어가고, 두 사람의 부적절한 관계가 사교계에 소문이 퍼지자, 안나는 가정을 버리고 도피하는데…