Petersburgo, século XIX. Anna Karenina (Greta Garbo) é a esposa de Karenin (Basil Rathbone), um rico funcionário do governo. Ela viaja até Moscou para tentar acalmar Dolly (Phoebe Foster), sua cunhada, pois o irmão de Anna, Stiva (Reginald Owen), um mulherengo, foi infiel e agora o casamento passa por uma crise. Logo ao chegar na estação de trem ela conhece um oficial, o Conde Alexei Vronsky (Fredric March). Ambos se sentem atraídos, sensação esta que aumenta ao participarem de um baile. Anna decide voltar logo para São Petersburgo, pois tem um marido e um filho, Sergei (Freddie Bartholomow), esperando por ela. Talvez tudo não passasse de um flerte se Vronsky não antecipasse sua ida para São Petersburgo, embarcando no mesmo trem. Ele confessa seu amor, sendo que ela também está apaixonada. Logo Anna deixa Karenin, que não quer lhe dar o divórcio, pois para ele as aparências importam, e a proíbe de ver Sergei. Anna e Vronsky vão para a Itália, onde continuam se amando intensamente. Mas ao voltarem para a Rússia Anna sente que Vronsky está diferente.