В таком состоянии нравственного прозрения, душевного подъема и желания каяться, Нехлюдов приходит в острог на свидание с Катюшей Масловой, но, к удивлению и ужасу своему, видит, что та Катюша, которую он знал и любил, давно умерла, её «не было, а была одна Маслова» — уличная девка, которая смотрит на него, блестящими «нехорошим блеском» глазами, как на одного из своих клиентов, просит у него деньги, а когда он их передаёт и пытается высказать то главное, с чем он пришёл, она вовсе не слушает его, пряча от надзирательницы взятые деньги себе за пояс.

«Ведь это мертвая женщина» — думает Нехлюдов, глядя на Маслову. В его душе, на мгновение, просыпается «искуситель», который говорит ему, что уже ничего он с этой женщиной не сделает и надо лишь дать ей денег и оставить её. Но это мгновение проходит. Нехлюдов побеждает «искусителя», оставшись твёрдым в своих намерениях.

Наняв адвоката, Нехлюдов составляет кассационное прошение в сенат и уезжает в Петербург, чтобы самому присутствовать при рассмотрении дела. Но, несмотря на все его усилия, кассация отклоняется, голоса сенаторов разделяются и приговор суда остаётся без изменения.

Вернувшись в Москву, Нехлюдов привозит с собой, для подписи Масловой, прошение о помиловании на «высочайшее имя», в успех которого он уже не верит и, через несколько дней, вслед за партией заключенных, с которой этапируется Маслова, отправляется в Сибирь.

На время продвижения по этапам, Нехлюдову удается выхлопотать перевод Масловой из отделения уголовных заключенных к политическим. Этот перевод улучшает её положение во всех отношениях, а сближение с некоторыми из политических заключенных оказывает на Маслову «решительное и самое благотворное влияние».

В течение всего повествования Толстой постепенно «воскрешает» души своих героев. Ведёт их по ступеням нравственного совершенствования, возрождая в них «духовное существо» и вознося его над «животным». Это «воскресение» открывает для Нехлюдова и Масловой новое миропонимание, делая их участливыми и внимательными ко всем людям.

В конце романа, партия Масловой, пройдя около пяти тысяч вёрст, прибывает в крупный сибирский город, с большой пересыльной тюрьмой. В почтамт этого города стекалась вся почта, которая шла из центра России Нехлюдову (находясь в постоянном движении по этапам, он просто не мог получать писем). Разбирая почту, Нехлюдов находит письмо своего друга юности Селенина. Вместе с письмом Селенин высылает Нехлюдову копию официальной бумаги с помилования Масловой, согласно которой каторжные работы заменяются ей поселением в Сибири.

С известием о помиловании Нехлюдов приходит на свидание с Масловой. На этом свидании он говорит ей, что как только получится официальная бумага, они смогут решить, где поселиться. Но Маслова отказывает Нехлюдову. За время своего пребывания с политическими заключёнными, она близко познакомилась с ссылаемым в Якутскую область Владимиром Симонсоном, который влюбился в неё. И, несмотря на то, что Нехлюдов был и оставался единственным мужчиной, которого она по-настоящему любила, Маслова, не желая более жертвы Нехлюдова и боясь, что она испортит ему жизнь, выбирает Симонсона.

Простившись с Масловой, Нехлюдов обходит тюремные камеры острога вместе с путешествующим англичанином, в качестве его переводчика, и только поздним вечером, в уставшем и подавленном состоянии, возвращается в номер своей гостиницы. Оставшись один, Нехлюдов вспоминает всё виденное им за последние месяцы: то "страшное зло, которое он видел и узнал в кабинетах чиновников, в судах, в тюрьмах и т.д.; зло которое «торжествовало, царствовало, и не виделось никакой возможности не только победить его, но даже понять, как победить его». Всё это теперь поднимается в его воображении и требует разъяснения. Устав думать над этим, Нехлюдов садится на диван и «машинально» открывает Евангелие, подаренное ему англичанином.