Картина по роману Толстого стала уже третьим совместным проектом актрисы Киры Найтли и режиссера Джо Райта после фильмов «Искупление» и «Гордость и предубеждение». Поэтому Джо даже не стал устраивать Кире пробы, прекрасно зная ее потенциал в костюмных драмах. Сложнее пришлось с исполнителями ролей мужа Анны, Алексея Каренина, и графа Вронского.

Джуд Ло пока отказывается рассказывать, как он вживался в образ мужа Анны Алексея Каренина.

От первоначальных кандидатов — Джеймса Макэвоя («Люди Икс. Первый класс») и Роберта Пэттинсона («Сумерки») — пришлось отказаться из-за их занятости на других лентах. И честь сыграть в классике выпала Джуду Ло и Аарону Джонсону («Стать Джоном Ленноном»). Однако если они пока хранят молчание относительно вхождения в образ, то Кира охотно делится впечатлениями.
«Первый раз я прочитала роман Толстого в подростковом возрасте, и тогда мне запомнилась только история любви, — признается актриса. — А потом неожиданно перечитала прошлым летом и подумала: ничего себе, да Толстой ее порой ненавидит. Даже не всегда ясно — она героиня или антигероиня. В общем, я взглянула на нее совсем другими глазами». Однако если с книгой Найтли с тех пор не расстается, предыдущие экранизации категорически отказывается смотреть. «Довольно давно я видела пару киноверсий романа: одну по телевизору, где Анну играла Хелен МакКрори. Ну и, конечно, самую знаменитую с Гретой Гарбо, — вспоминает Кира. — Но я не хотела ни их пересматривать, ни смотреть другие фильмы, чтобы случайно не скопировать игру других актрис. Мне хочется, чтобы мое представление о Карениной было только моим, а не подворованным у кого-то». Также звезда сообщила, что изучила несколько книг по истории России конца XIX века. Но призналась, что учить для роли русский язык не стала и даже не планирует говорить с русским акцентом: «Зачем коверкать язык? Если уж хочется достоверности, то нужно говорить не с акцентом, а по-русски, — уверена Найтли. — Но это же англо-язычный фильм, поэтому мы решили говорить на правильном английском».

Съемки фильма ведутся преимущественно в Великобритании, однако несколько сцен было снято в Кижах (Карелия).