Себя одного виня в неудаче сватовства, Левин возвращается в деревню. Перед отъездом он встречается со старшим братом Николаем, живущим в дешевых номерах с женщиной, которую взял из публичного дома. Левин любит брата, несмотря на его неудержимый характер, доставляющий множество неприятностей и ему самому, и окружающим. Тяжело больной, одинокий, пьющий, Николай Левин увлечен коммунистической идеей и организацией какой-то слесарной артели; это спасает его от презрения к самому себе. Свидание с братом усугубляет стыд и недовольство собою, которое испытывает после сватовства Константин Дмитриевич. Он успокаивается только в родовом своем поместье Покровском, решив еще больше работать и не позволять себе роскоши – которой, впрочем, и прежде не было в его жизни.
Привычная петербургская жизнь, к которой возвращается Анна, вызывает у нее разочарование. Она никогда не была влюблена в мужа, бывшего много старше ее, и испытывала к нему только уважение. Теперь же его общество становится для нее тягостно, она замечает малейшие его недостатки: слишком большие уши, привычку трещать пальцами. Не спасает ее и любовь к восьмилетнему сыну Сереже. Анна пытается вернуть себе душевное равновесие, но это ей не удается – главным образом потому, что Алексей Вронский всячески добивается ее расположения. Вронский влюблен в Анну, и любовь его усиливается оттого, что роман с дамой большого света делает его положение еще более блестящим. Несмотря на то что вся его внутренняя жизнь наполнена страстью к Анне, внешне Вронский ведет обычную, веселую и приятную жизнь гвардейского офицера: с Оперой, французским театром, балами, скачками и прочими удовольствиями. Но их отношения с Анной слишком отличаются в глазах окружающих от необременительного светского флирта; сильная страсть вызывает всеобщее осуждение. Алексей Александрович Каренин замечает отношение света к роману своей жены с графом Вронским и высказывает Анне свое недовольство. Будучи высокопоставленным чиновником, «всю жизнь свою Алексей Александрович прожил и проработал в сферах служебных, имеющих дело с отражениями жизни. И каждый раз, когда он сталкивался с самою жизнью, он отстранялся от нее». Теперь он чувствует себя в положении человека, стоящего над пучиной.
Попытки Каренина остановить неудержимое стремление жены к Вронскому, попытки самой Анны сдержать себя оказываются безуспешны. Через год после первой встречи она становится любовницей Вронского – понимая, что теперь они связаны навсегда, как преступники. Вронский тяготится неопределенностью отношений, уговаривает Анну оставить мужа и соединить свою жизнь с ним. Но Анна не может решиться на разрыв с Карениным, и даже то, что она ждет ребенка от Вронского, не придает ей решимости.
Во время скачек, на которых присутствует весь высший свет, Вронский падает со своей лошади Фру-Фру. Не зная, насколько серьезно падение, Анна так неприкрыто выражает свое отчаяние, что Каренин вынужден немедленно увезти ее. Она объявляет мужу о своей неверности, об отвращении к нему. Это известие производит на Алексея Александровича впечатление выдернутого больного зуба: он избавляется наконец от страданий ревности и уезжает в Петербург, оставив жену на даче в ожидании его решения. Но, перебрав все возможные варианты будущего – дуэль с Вронским, развод, – Каренин решает оставить все без изменений, наказав и унизив Анну требованием соблюдать лживую видимость семейной жизни под угрозой разлуки с сыном. Приняв это решение, Алексей Александрович обретает достаточно спокойствия, чтобы с присущим ему упорным честолюбием отдаться размышлениям о делах службы. Решение мужа вызывает у Анны взрыв ненависти к нему. Она считает его бездушной машиной, не думающей о том, что у нее есть душа и потребность любви. Анна понимает, что загнана в угол, потому что не в силах променять свое нынешнее положение на положение любовницы, бросившей мужа и сына и заслуживающей всеобщего презрения.
Сохраняющаяся неопределенность отношений мучительна и для Вронского, в глубине души любящего порядок и имеющего незыблемый свод правил поведения. Он впервые в жизни не знает, как вести себя дальше, как привести свою любовь к Анне в согласие с житейскими правилами. В случае соединения с нею он вынужден будет выйти в отставку, и это тоже непросто для него: Вронский любит полковую жизнь, пользуется уважением товарищей; к тому же он честолюбив.
Жизнь троих людей опутана паутиной лжи. Жалость к мужу чередуется у Анны с отвращением; она не может не встречаться с Вронским, как того требует Алексей Александрович. Наконец наступают роды, во время которых Анна едва не умирает. Лежа в родильной горячке, она просит прощения у Алексея Александровича, и у ее постели он испытывает жалость к жене, умиленное сострадание и духовную радость. Вронский же, которого Анна в беспамятстве отвергает, переживает жгучий стыд и унижение. Он пытается застрелиться, но его спасают.
Анна не умирает и, когда проходит душевное размягчение, вызванное близостью смерти, вновь начинает тяготиться мужем. Ни его порядочность и великодушие, ни трогательная забота о новорожденной девочке не избавляют ее от раздражения; она ненавидит Каренина даже за его добродетели. Через месяц после выздоровления Анна уезжает за границу с вышедшим в отставку Вронским и дочерью.
Живя в деревне, Левин занимается поместьем, читает, пишет книгу о сельском хозяйстве и предпринимает различные хозяйственные переустройства, не находящие одобрения у мужиков. Деревня для Левина – «место жизни, то есть радостей, страданий, труда». Мужики уважают его, за сорок верст ходят к нему советоваться – и его же норовят обмануть ради собственной выгоды. В отношении Левина к народу нет нарочитости: он считает себя частью народа, все его интересы связаны с крестьянами. Он восхищается силой, кротостью, справедливостью крестьян и раздражается от их беспечности, неряшливости, пьянства, лжи. В спорах с приехавшим в гости единоутробным братом Сергеем Ивановичем Кознышевым Левин доказывает, что земская деятельность не приносит пользы крестьянам, потому что не основывается ни на знании их истинных потребностей, ни на личном интересе помещиков.