Alice Kingsleigh (Wasikowska) passou os últimos anos seguindo os passos de seu pai e navegando os oceanos. No seu retorno a Londres, ela se depara com um espelho mágico e retorna ao fantástico Mundo Subterrâneo e seus amigos o Coelho Branco (Sheen), a lagarta Absolem (Rickman), O Gato Risonho (Fry) e o Chapeleiro Maluco (Depp), que não é ele mesmo. O Chapeleiro perdeu sua "Muiteza", então Mirana (Hathaway) envia Alice em uma jornada para pegar emprestada a Cronosfera, um globo metálico que fica dentro da câmara do Grande Relógio que controla todo o tempo. Retornando ao passado, ela reencontra amigos - e inimigos - em momentos diferentes de suas vidas, e embarca em uma perigosa corrida para salvar o Chapeleiro antes que o tempo se acabe.