Tymczasem w Moskwie pojawia się również przyjaciel brata Anny, Lewin (Domhnall Gleeson), wrażliwy i oddany swojej pracy właściciel ziemski. On z kolei jest szaleńczo zakochany w młodszej siostrze Dolly, Kitty (Alicia Vikander). Lewin oświadcza się Kitty, ona jednak jest zauroczona Wrońskim i nie przyjmuje propozycji małżeństwa. Zdruzgotany Lewin wraca do swojej posiadłości Pokrowskoje, gdzie rzuca się w wir pracy, co ma mu pomóc zapomnieć o niedoszłej narzeczonej. Z kolei Kitty przeżywa miłosne katusze, kiedy na jednym z wystawnych bali w stolicy Wroński w nieskrywany sposób wyraża zachwyt Anną, kobietą zamężną, która najwyraźniej odwzajemnia płomienne uczucie młodego adoratora.
Anna broni się przed obezwładniającym ją uczuciem i desperacko stara się odzyskać równowagę decydując się na nagły powrót do St. Petersburga. W ślad za nią rusza Wroński. Anna stara się zająć swoje myśli podejmując codzienne obowiązki rodzinne, jednak uczucie okazuje się silniejsze. Między Anną i Wrońskim nawiązuje się romans, który stanie się głównym tematem plotek i wywoła skandal w petersburskiej socjecie. W takiej sytuacji mąż Anny, Karenin stawia jej ultimatum, które okaże się brzemienne w skutkach dla wszystkich. Walcząc o swoje prawo do szczęścia i miłości Anna podejmuje decyzję, która wstrząśnie skostniałą, obsesyjnie dbającą o swój wizerunek śmietanką towarzyską Petersburga, przynosząc jednocześnie tragiczne konsekwencje dla niej samej i jej najbliższych.
Scenariusz do filmu Anna Karenina w oparciu o powieść Lwa Tołstoja napisał laureat Nagrody Akademii Tom Stoppard ("Zakochany Szekspir" /Shakespeare in Love/). Obraz jest już trzecim z kolei wspólnym projektem reżysera Joe'a Wrighta, odtwórczyni roli Anny - Keiry Knightley oraz nominowanego do Nagrody Akademii tria producenckiego, które tworzą: Tim Bevan, Eric Fellner, Paul Webster, mającego na swoim koncie takie przeboje ostatnich lat jak "Duma i uprzedzenie" /Pride & Prejudice/ oraz "Pokuta" /Atonement/.
W zespole twórców filmu znaleźli się również: operator Seamus McGarvey ("Avengers"), trzykrotnie nominowana do Nagrody Akademii scenografka Sarah Greenwood ("Sherlock Holmes"), montażystka Melanie Ann Oliver ("Jane Eyre"), charakteryzatorka Ivana Primorac ("Hanna"), laureat Oscara, kompozytor muzyki Dario Marianelli ("Pokuta" /Atonement/) oraz dwukrotnie nominowana do Nagrody Akademii projektantka kostiumów Jacqueline Durran ("Duma i uprzedzenie" /Pride & Prejudice/).
