เรื่องราวเกิดขึ้นในประเทศรัสเซีย ปี 1874 อันนา คาเรนินา (เคียร่า ไนท์ลีย์) เธอเป็นผู้หญิงที่เกิดในตระกูลชนชั้นสูง แต่ต้องแต่งงานตั้งแต่อายุ 18 กับ อเล็กซี่ คาเรนิน (จู๊ด ลอว์) ซึ่งมีอายุแก่กว่าเธอถึงยี่สิบปี และเป็นคนเย็นชา พูดน้อย ทำงานหนัก โดยเฉพาะงานที่เกี่ยวข้องกับการบริหารประเทศ เมื่อแต่งงานได้ระยะหนึ่ง เธอก็มีบุตรชาย 1 คน
อันนาจำเป็นต้องเดินทางมาเซนต์ปีเตอร์สเบิร์ก เพื่อช่วยแก้ไขปัญหาในครอบครัวให้แก่พี่ชาย โอบลอนสกี้ (แมทธิว แม็คฟาเดียน) ที่มีพฤติกรรมนอกใจภรรยา ในระหว่างทาง อันนา ได้พบกับ เคานต์วรอนสกี้ (อารอน เทย์เลอร์-จอห์นสัน) ชายหนุ่มรูปงามและขุนนางในสังคมชั้นสูงของรัสเซีย พวกเขาตกหลุมรักซึ่งกันและกัน และมีความสัมพันธ์กัน นำมาซึ่งโศกนาฏกรรม เพราะความรักที่เกิดขึ้นระหว่าง อันนา และ เคานต์วรอนสกี้ เป็นรักต้องห้าม ที่สำคัญ อันนา อยู่ในวงสังคมชั้นสูงที่มีสามีเป็นบุคคลสำคัญ สิ่งที่ อันนา ได้กระทำลงไปจึงถูกตราหน้าว่าเป็นคนบาป และถูกนินทาไปทั่วเมือง
ในขณะเดียวกัน ความรักระหว่าง เลวิน (ดอมเนลล์ กลีสัน) หนุ่มชาวไร่ผู้ตกหลุมรักดอกฟ้าอย่าง เจ้าหญิงคิตตี้ (อลิเซีย วิกันเดอร์) ความรักของทั้งคู่แตกต่างจากความรักที่หวือหวาเร่าร้อนของ อันนา กับ วรอนสกี้ เพราะทั้ง เลวิน และ คิตตี้ ใช้วันเวลาในการอดทนรอ เวลาเป็นเครื่องพิสูจน์ความมั่นคงในความรัก จนกระทั่งสุดท้ายได้ครองรักกันอย่างหวานชื่นในที่สุด
