La narrazione si svolge interamente durante un tragitto in treno. Un’anonima voce narrante ascolta in silenzio lo scambio di vedute sui rapporti tra uomo e donna di un gruppo di viaggiatori che condividono lo scompartimento. Tra le altre, si delineano le posizioni di una distinta signora romantica e idealista e di un infervorato signore decisamente più pessimista, tale Pozdnysev, segnato da una tragica vicenda personale. Arrivati a destinazione tutti gli altri, l’io narrante si trova da solo con Pozdnysev, il quale decide di confessare all’occasionale compagno il suo terribile segreto. Inizia così un lungo monologo in cui racconta la sua personale esperienza coniugale. Fisicamente attratto da una bella e brava pianista, Liza, Pozdnysev riesce a conquistarla e a mettere su famiglia con lei. Ma nell’idillio dei primi tempi si insinua una gelosia cronica, maturata nel vedere la propria moglie ammirata per le sue qualità fisiche e artistiche dagli altri uomini. A far precipitare le cose è il rapporto che si instaura tra Liza e un violinista, da lui stesso ospitato e presentato alla moglie. I due eseguono insieme la Sonata a Kreutzer e l’intesa che dimostrano come musicisti appare a Pozdnysev come la prova lampanta dei loro sentimenti. Dopo essersi assicurato della partenza del violinista, l’uomo va via alcuni giorni per affari, ma tornato anzintempo a casa, trova la moglie a cena con il violinista. Preso dall’ira, la uccide con un pugnale.
Le divagazioni di Pozdnysev sulla natura ingannevole della sensualità sono la rappresentazione, estrema fino al paradosso e al delirio, dei convincimenti maturati da Tolstoj, dopo la “Conversione ai Vangeli”. Lo scrittore vuole affermare la superiorità dello spirito sulla carne e la necessità dell’astinenza per raggiungere l’armonia interiore e con il mondo. Ma l’aspetto più importante del breve romanzo è dato dalla tecnica narrativa utilizzata da Tolstoj. L’incalzante e delirante monologo di Pozdnysev apre a sperimentazioni narrative che anticipano formule tipiche del novecento, quali il flash-back, il monologo interiore e il flusso di coscienza. Il suo racconto, in bilico tra passione e patologia, appare come un presagio del metodo psicanalitico che Freud iniziò a sviluppare dal 1895. L’ambientazione in treno dona a Sonata a Kreutzer una cifra cinematografica, prima dell’invenzione dei Fratelli Lumiere, avvenuta in quello stesso 1895.