日露戦争が勃発した1904年の満州。軍医として戦地に赴いたセルゲイ・カレーニン（キリール・グレベンシチコフ）は、患者として運ばれてきたアレクセイ・ヴロンスキー（マクシム・マトヴェーエフ）と出会う。この男こそ、幼い自分と父から母を奪い、さらには母が自ら命を絶つ原因となった人物だった。一時は殺意を抱くほど憎んだ相手だが、年齢を重ねた今、母の真実を知りたいと願うセルゲイ。その問いに答え、ヴロンスキーは彼にとっての真実を語り始める。1872年の冬。母親を迎えるためにモスクワ駅を訪れたヴロンスキーは、政府高官アレクセイ・カレーニンの妻アンナ・カレーニナ（エリザヴェータ・ボヤルスカヤ）と出会う。後日、舞踏会で再会したアンナとヴロンスキーは、急速に親密になってゆく。2人の関係はたちまち世間の噂となり、アンナの夫カレーニン伯爵の耳にも届く。やがて、夫からヴロンスキーとの関係を問い詰められたアンナは、彼に対する愛を告白。さらに、アンナはヴロンスキーとの子を身籠っていた。だが、世間体を気にするカレーニン伯爵は離婚を認めなかった。そんなアンナの周りからは次々と友人たちが去り、ヴロンスキーと暮らすことのできないアンナには、嫉妬や猜疑心が芽生え始める。紆余曲折を経てヴロンスキーの子を出産したアンナは、ついにカレーニン伯爵と離婚。だが、夫が手放さなかった息子セルゲイ（マカール・ミハルキン）とは別れることに。娘のアーニャが生まれながらも、セルゲイと会えないことに苛立つアンナは、密かにセルゲイの誕生日にカレーニン伯爵の屋敷を訪問。再会した息子に、善良で立派な父を愛するよう泣きながら訴える。その一方で、罪悪感に苛まれたアンナは、ヴロンスキーとの間に生まれたアーニャを愛することができずにいた。ヴロンスキーは、そんなアンナを持て余しながらも、社交界から距離を置き、家族で田舎へ移る計画を立てるが……。