Lors d'une réception mondaine, Alice Kingsley (Mia Wasikowska), qui a désormais 19 ans, est demandée en mariage par Hamish Ascot, homme arrogant et très peu séduisant. C'est alors qu'elle aperçoit un étrange lapin blanc possédant une montre à gousset, et lui faisant signe de la suivre. Alice s'enfuit, prétendant que « cette demande en mariage arrive un peu trop rapidement » et part à la poursuite du lapin jusqu'à ce qu'elle arrive devant un curieux arbre mort au tronc détruit, sous lequel se trouve dans le sol, entre les racines, un terrier dont l'intérieur est plongé dans l'obscurité. S'y baissant trop près, Alice tombe et se retrouve dans une longue chute mouvementée jusqu'à atterrir dans un monde qu'elle avait déjà visité treize ans auparavant : le Pays des Merveilles.
Alice, ne se souvenant de rien de ce précédent voyage, rencontre tous les personnages de cette curieuse contrée, devenue sombre et inquiétante, tels que le fameuxLapin Blanc, Nivens McTwisp (voix originale deMichael Sheen), ainsi que Chessur, leChat du Cheshire (voix deStephen Fry), leLièvre de Mars (voix dePaul Whitehouse), Mallymkun le Loir (voix deBarbara Windsor), les jumeaux Tweedle-Dum et Tweedle-Dee (Matt Lucas), qui semblent tous très bien la connaitre et en particulier Tarrant Hightopp, leChapelier Fou (Johnny Depp) qui lui voue une certaine affection... Ne sachant point ce qui est arrivé de navrant au Pays des Merveilles, Alice apprend, qu'après son départ, la Reine Rouge Iracebeth (Helena Bonham Carter), accompagné de Ilosovic Stayne, son Valet Rouge, a pris le pouvoir en relâchant leJabberwocky (Christopher Lee) son animal de compagnie. Pour que le bien et la paix puissent régner de nouveau au Pays des Merveilles, Alice devra s'allier au déjanté Chapelier Fou (Johnny Depp) et à l'excentrique Reine Blanche Mirana (Anne Hathaway) afin de se débarrasser de la tyrannie de la Reine Rouge et rétablir la justice.