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 полную, 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. — M-me Гартунг, дочь поэта Пушкина. «Да-а, — 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 г. 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, то есть чувством?».
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 толкам о сходстве с ним очень болезненно.
В характере Николая Левина Толстой воспроизвел многие существенные черты натуры своего родного брата — Дмитрия Николаевича Толстого. В юности он был аскетичен и строг. Затем произошел перелом в жизни Дмитрия. «Он вдруг стал пить, курить, мотать деньги и ездить к женщинам. Как это с ним случилось, не знаю, — рассказывал Толстой, — я не видал его в это время… И в этой жизни он был тем же серьезным, религиозным человеком, каким он был во всем. Ту женщину, проститутку Машу, которую он первую узнал, он выкупил и взял к себе… Думаю, что не столько дурная, нездоровая жизнь, которую он вел несколько месяцев в Москве, сколько внутренняя борьба укоров совести, — сгубили сразу его могучий организм».
В современном романе Толстого появляется и тип современного художника. Анна Каренина и Вронский во время итальянского путешествия посещают в Риме студию Михайлова. «Некоторые черты художника Михайлова, — пишет С. Л. Толстой, — напоминают известного художника И. Н. Крамского».
Однако Толстой изобразил в своем романе не Крамского как реальную личность, а самый тип «нового художника» из русской живописной школы в Риме, где долгие годы жил и работал Александр Иванов.
Это лицо обобщенное, более характерное, типичное для своего времени. В нем совмещаются некоторые черты многих художников, которых Толстой имел возможность наблюдать в Риме, в Петербурге и в Москве. Михайлов «воспитан в понятиях неверия, отрицания и материализма».
«Историческая школа», ее критическое отношение не только к церковной живописи, но и к религии, новая постановка нравственных проблем — все это очень занимало Толстого в годы писания «Анны Карениной», накануне «духовного перелома».
Осенью 1873 года И. Н. Крамской писал портрет Толстого в Ясной Поляне. Их беседы во время сеансов о мировоззрении и творчестве, о старых мастерах подали Толстому мысль ввести в роман целую серию сцен с участием художника Михайлова. Это были сцены вполне в духе времени.
Реальные факты действительности входили в роман в преобразованной форме, подчиняясь творческой концепции Толстого. Поэтому невозможно отождествление героев «Анны Карениной» с их реальными прототипами, хотя Толстой в черновиках иногда называл романических героев именами близко знакомых людей, чтобы яснее видеть их перед собой во время работы. «Я бы очень сожалел, — сказал однажды Толстой, — ежели бы сходство вымышленных имен с действительными могло бы кому-нибудь дать мысль, что я хотел описывать то или другое действительное лицо… Нужно наблюдать много однородных людей, чтобы создать один определенный тип».