세르게이 카레닌은 러일 전쟁에서 군의관으로 일하던 중, 부상당해 실려 온 브론스키를 만난다. 비극적으로 생을 마감한 어머니 안나의 진실이 늘 궁금했던 세르게이는 브론스키에게 과거 얘기를 들려 달라고 부탁한다. 결국 브론스키는 1872년으로 시곗바늘을 되돌려, 기차역에서 안나를 처음 만나던 순간으로 돌아가는데...

1904년 중국 만주에서 마주한 세르게이와 브론스키는 서로 마주앉아 과거를 회상한다. 기억 속 1872년 상트페테르부르크로 돌아간 브론스키는 잊을 수 없는 안나의 눈빛과 미소를 떠올리며 세르게이에게 둘의 사랑 이야기를 전하고 열정적인 사랑에 빠진 젊은 브론스키와 안나, 그리고 갈등하는 내면의 모습이 그려진다.

브론스키가 안나 때문에 모스크바행을 거절하자 브론스키의 어머니는 이를 못마땅하게 여기고 돈을 끊는다. 한편 안나는 브론스키에게 임신했음을 알리고 브론스키는 안나에게 카레닌과 헤어져 자신과 살아 달라고 애걸한다. 아들을 생각해 거절하던 안나는 브론스키가 승마 시합에서 말에 떨어져 큰일이 날 뻔한 것을 보고 놀라 카레닌에게 모든 것을 털어놓는데...

왕자를 수행하는 일정에 참여한 브론스키를 오래 기다린 안나는 괜한 불안감에 사로잡혀 끝내 두 사람은 말다툼을 벌인다. 안나와 브론스키에 대한 복수심에 불타오른 카레닌은 차갑게 변한 모습으로 안나에게 찾아가고 돌리를 만나 용서에 대한 이야기를 듣는다. 출산을 앞둔 안나는 큰 두려움에 사로잡힌다.

브론스키는 타슈켄트로 떠나기 전에 안나를 만나고 싶어 하지만, 안나는 아량을 베풀어 준 카레닌의 눈치를 보느라 거절하고 만다. 안나를 난처한 처지에서 꺼내 주려고 달려온 오빠 스티바는 이혼만이 해결책이라며 카레닌을 설득하고, 안나 못지않게 이 상황이 고통스러운 카레닌은 갈등하는데...

브론스키는 안나가 상트페테르부르크에서 느낄 소외감을 걱정한다. 안나와 절친했던 벳시마저 안나가 아직 이혼하지 않았다는 말에 쌀쌀맞게 대한다. 안나는 극장에 갔다가 옆자리 사람에게 모욕을 당하고 결국 브론스키와 도망치듯 시골 영지로 떠나는데...