Alice Kingsleigh passou os últimos três anos seguindo os passos de seu pai navegando os mares altos. Após o regresso a Londres de uma viagem à China, descobre que seu ex-noivo, Hamish Ascot, assumiu a empresa de seu pai e planeja ter o navio do pai de Alice em troca de sua casa da família. Depois de uma briga com a mãe sobre o assunto, Alice segue uma borboleta, Absolem, e retorna ao país das maravilhas através de um espelho que faz com que ela caia do céu em Underland. Alice é saudada pela Rainha Branca, o Coelho Branco, os Tweedles, a Dormouse, Bayard e o gato de Cheshire. Eles lhe informam que o Chapeleiro Maluco, Tarrant Hightopp está agindo mais louco do que o natural. Ele acredita que sua família ainda está viva. Alice visita-o e tenta consolá-lo, mas o Chapeleiro Maluco permanece com certeza da sobrevivência de sua família do ataque no dia de Jabberwocky. Acreditando que encontrar a família do Chapeleiro é a única maneira de melhorar a sua saúde, a Rainha Branca decide que Alice deve viajar no Tempo, e salvar a família do Chapeleiro no passado. Em tese, isso é algo que ninguém de Underland pode fazer, pois é dito que a história será destruída se alguém vê o seu passado/futuro. Contudo Alice não tem nenhum passado em Underland que possa ver acidentalmente. Ao visitar o castelo de Tempo, Alice encontra a Crono-esfera, um objeto que alimenta o grande relógio de todo o tempo de Underland e é usado para viajar no tempo.
Após ser informada pelo tempo que não se pode alterar o passado, Alice rouba a Crono-esfera e viaja de volta no tempo, pouco depois de encontrar a Rainha Vermelha exilada, Iracebeth de Carmesim, que está sob os cuidados do Tempo. A Rainha Vermelha tenta seduzir o Tempo para usar a Crono-esfera, que está com Alice, que, por sua vez, tenta voltar para o dia do ataque do Jaguadarte. Alice é pega pelo tempo e, acidentalmente, voa para o dia da coroação de Iracebeth. Na coroação, um Tarrant mais jovem começa uma paródia da Rainha Vermelha, quando a coroa real não se encaixa em sua cabeça anormal. Isso faz com que Iracebeth fique furiosa , e seu pai considera seu inadequado comportamento para governar, e passa o título de rainha para sua irmã mais nova Mirana, a Rainha Branca. Tarrant é então repreendido por seu pai por ter rido da rainha, e fica magoado quando o pai diz que ele é uma decepção. Alice descobre o dia da briga entre Iracebeth e Mirana e viaja de volta no tempo novamente, esperando poder mudar o destino de Iracebeth e impedir o Jaguadarte de matar a família do Chapeleiro. A menina viaja pro dia do tombo e encontra versões mais jovens de Tarrant e de seus outros amigos do País das Maravilhas. Enquanto isso, Mirana rouba a torta de sua mãe e a come, deixando as migalhas debaixo da cama de Iracebeth. Quando mencionado sobre a questão de sua mãe, Mirana diz que não comeu a torta, e Iracebeth é injustamente acusada, fazendo-a correr para fora do castelo em tristeza. Alice vê ela correndo na direção de um relógio, o que deforma a sua cabeça e personalidade. Alice impede o relógio de acertar a cabeça de Iracebeth, mas não consegue e ela bate a cabeça numa estátua.
Alice é então confrontada por Tempo enfraquecido, pedindo para que devolva a Crono-esfera. Ela entra num espelho próximo e volta ao mundo real, onde acorda em um hospital psiquiátrico, com diagnóstico de histeria feminina. Com a ajuda de sua mãe, Alice escapa e retorna para o País das Maravilhas, onde viaja para o ataque do Jaguadarte e descobre que a família do Chapeleiro nunca morreu, mas foi capturada por Iracebeth. Voltando ao presente, Alice descobre que é tarde demais, e que o Chapeleiro está à beira da morte. Depois de chorar, Alice diz que acredita nele, fazendo com que Tarrant desperte e retome o seu estado normal. O Chapeleiro, Alice e os outros vão para o castelo da Rainha Vermelha, nos arredores do País das Maravilhas, onde acreditam que a família de Tarrant está. O Chapeleiro encontra a sua família encolhida e presa em uma fazenda de formigas. Preparada pela chegada deles, após ter sido informada pelo Tempo, Iracebeth os prende e rouba a Crono-esfera de Alice. Ela e Mirana voltam para o dia em que Mirana mentiu sobre a torta. Tempo avisa a Alice que ela precisa impedir Iracebeth de alterar o passado e destruir o País das Maravilhas. No momento que Tarrant e Alice chegam, Iracebeth e seu próprio passado se veem, quando Iracebeth tenta impedir Mirana de mentir. Isso cria um paradoxo Temporal e o País das Maravilhas começa a enferrujar. Usando o Crono-esfera, Alice e o Chapeleiro correm de volta ao presente, em que Alice agora é capaz de colocar a Crono-esfera de volta em seu devido lugar. Com a Crono-esfera estabilizada, o País das Maravilhas volta ao normal. O Chapeleiro se reúne com sua família e os retorna ao tamanho normal. Mirana pede desculpas a Iracebeth por ter mentido e as duas fazem as pazes. Alice se despede dos seus amigos e retorna para o mundo real, onde sua mãe se recusa a vender o navio de Alice para Hamish, e as duas viajam pelo mundo com a sua própria companhia.
