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 мужавызывает 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.
Левин чувствует свое слияние с природой; он слышит даже рост весенней травы. Летом он косит вместе с мужиками, ощущая радость простого труда. Несмотря на все это, он считает свою жизнь праздной и мечтает переменить ее на трудовую, чистую и общую жизнь. В его душе постоянно совершаются неуловимые перемены, и Левин прислушивается к ним. Одно время ему кажется, что он обрел спокойствие и забыл свои мечты о семейном счастье. Но эта иллюзия рассыпается в прах, когда он узнает о тяжелой болезни Кити, а потом видит ее саму, едущую к сестре в деревню. Казавшееся мертвым чувство вновь овладевает его сердцем, и только в любви он видит возможность разгадать великую загадку жизни.
В Москве, на обеде у Облонских, Левин встречается с Кити и понимает, что она любит его. В состоянии высшего душевного подъема он делает Кити предложение и получает согласие. Сразу после венчания молодые уезжают в деревню.
Вронский с Анной путешествуют по Италии. Сначала Анна чувствует себя счастливою и полною радости жизни. Даже сознание того, что она разлучена с сыном, утратила свое честное имя и стала причиной несчастья мужа, не омрачает ее счастья. Вронский любовно-почтителен с нею, он все делает для того, чтобы она не тяготилась своим положением. Но сам он, несмотря на любовь к Анне, испытывает тоску и хватается за все, что может придать его жизни значительность. Он начинает заниматься живописью, но, имея достаточно вкуса, он знает свою посредственность и вскоре разочаровывается в этом занятии.