Реальные факты действительности входили в роман в преобразованной форме, подчиняясь творческой концепции Толстого. Поэтому невозможно отождествление героев «Анны Карениной» с их реальными прототипами. И хотя Толстой в черновиках иногда называл романических героев именами близко знакомых ему людей, чтобы яснее видеть их перед собой во время работы, он далеко уходил от того, что принято называть прототипом. Анна Каренина, по утверждению Т.А. Кузминской, напоминает Марию Александровну Гартунг (1832–1919), дочь Пушкина, но «не характером, не жизнью, а наружностью». Толстой встретил М.А. Гартунг в гостях у генерала Тулубьева в Туле. «Ее легкая походка легко несла ее довольно плотную, но прямую и изящную фигуру. Меня познакомили с ней, – рассказывает Т.А. Кузминская. – Лев Николаевич еще сидел за столом. Я видела, как он пристально разглядывал ее. – Кто это? – спросил он, подходя ко мне. – Мм Гартунг, дочь поэта Пушкина. – Даа… – протянул он, – теперь я понимаю… Ты посмотри, какие у нее арабские завитки на затылке. Удивительно породистые». В дневнике С.А. Толстой сохранилась заметка: «Почему Каренина Анна и что навело на мысль о подобном самоубийстве?» С.А. Толстая рассказывает о трагической судьбе Анны Степановны Пироговой, которую несчастная любовь привела к гибели. Она уехала из дома «с узелком в руке», «вернулась на ближайшую станцию Ясенки, там бросилась на рельсы под товарный поезд». Все это произошло вблизи Ясной Поляны в 1872 году. Толстой ездил в железнодорожные казармы, чтобы увидеть несчастную. «Впечатление было ужасное», – пишет С.А. Толстая. Но в романе были изменены и мотивировка поступков, и самый характер событий.

По свидетельству современников, прототипом Каренина был «рассудительный» Михаил Сергеевич Сухотин, камергер, советник московской дворцовой конторы. В 1868 году его жена, Мария Алексеевна Сухотина, добилась развода и вышла замуж за С.А. Ладыженского. Толстой был дружен с братом Марии Алексеевны – Д.А. Дьяковым и знал об этой семейной истории, которая отчасти могла послужить материалом для описания драмы Каренина. Фамилия Каренин имеет литературный источник. «Откуда фамилия Каренин? – пишет С.Л. Толстой. – Лев Николаевич начал с декабря 1870 года учиться греческому языку и скоро настолько освоился с ним, что мог восхищаться Гомером в подлиннике… Однажды он сказал мне: „Каренон – у Гомера – голова. Из этого слова у меня вышла фамилия Каренин“. Не потому ли он дал такую фамилию мужу Анны, что Каренин – головной человек, что в нем рассудок преобладает над сердцем, над чувством». Не следует при этом забывать, что и Каренин во многих случаях высказывает собственные Льва Николаевича мысли о жизни, о семье и браке.

Прототипом Облонского обычно называют (в числе других лиц) Василия Степановича Перфильева, уездного предводителя дворянства, а затем – в 1878–1887 годах – московского губернатора. В.С. Перфильев был женат на П.Ф. Толстой, троюродной сестре Льва Николаевича. К слухам о том, что Облонский напоминает его своим характером, Перфильев, по утверждению Т.А. Кузминской, отнесся добродушно. Лев Николаевич не опровергал этого слуха. Прочитав сцену завтрака Облонского, Перфильев однажды сказал Толстому: «Ну, Левочка, цельного калача с маслом за кофеем я никогда не съедал. Это ты на меня уж наклепал!» Эти слова насмешили Льва Николаевича», – пишет Т.А. Кузминская. По свидетельству других современников, Перфильев был недоволен тем, что Толстой «вывел» его в образе Облонского, и отнесся к слухам о сходстве очень болезненно.