Повзрослевшая Алиса почти забыла о приключениях, произошедших с ней в Зазеркалье и Стране чудес. Ей — 19 лет и она вот-вот должна выйти замуж (так договорились её родители) за не особо симпатичного Хэмиша, сына лорда Эскота.

Приглашённая на праздник, на деле оказывающийся замаскированной помолвкой, в момент предложения ей руки и сердца Алиса замечает Белого Кролика. Он одет в камзол и постоянно смотрит на карманные часы. Кролик увлекает девушку в нору, на другом конце которой ждет странный мир, снившийся ей уже давно. Однако Алиса практически до конца фильма считает, что всё вокруг остаётся её сном.

Вскоре после того, как Алиса встретила мышь Соню, чудаковатых братьев-близнецов и других персонажей фантастического мира, ей открывают будущее в этой стране. Её приводят к гусенице Абсолему и показывают волшебный свиток Оракулум, где написана вся история Подземелья (Страны чудес). В нём написано, что в особый Бравный День Алисе предстоит схватка со свирепым драконом — Бармаглотом. Алиса не уверена в своих силах, но остальные и слышать не хотят о любом сомнении с её стороны.

Однако, не только жители волшебной страны хотят видеть Алису, встречу с ней давно планирует правящая Красная королева — одна из двух сестёр-королев. Она посылает за Алисой своего слугу и главного охранника, Валета Червей. В процессе погони Алисе удаётся познакомиться со Шляпником и его безумными друзьями. Они раскрывают ей правду о Красной королеве — в погоне за властью «кровавая ведьма», как предпочитают её называть противники, убила многих мирных жителей с помощью своего «зайки Бармаглотика».

Погоня снова настигает Алису и обретённых друзей. Шляпник помогает ей бежать, но сам попадает в руки Красной королевы. Вопреки всеобщим ожиданиям, Алиса, успевшая изменить рост до нескольких дюймов, отправляется освобождать Шляпника. Во дворе дворца Красной королевы Алиса успевает снова изменить рост, теперь она выше на голову любого жителя волшебной страны. Королева просит её представиться и приветствует её, как Ам (Белый Кролик, нашедший ее, чуть не ляпнул — Алиса). Во дворце Алиса узнаёт, что Валет влюблён в «cтоль высокую девушку», и что Бармаглота можно сразить Вострым мечом, который находится здесь же, под охраной Брандашмыга.

Алисе удаётся подружиться с Брандашмыгом, вернув ему глаз, выколотый в прежней стычке Соней, и, прихватив с собой Вострый меч, бежать из замка на Брандашмыге в Мраморию к Белой королеве — сестре Красной королевы (по аналогии с картами и шахматами). Белая королева тепло встречает гостью, возвращает ей нормальный рост и предлагает сразиться с Бармаглотом, но Алиса боится будущего. Наконец, она встречает окукливающегося Абсолема, говорит, что она «та самая Алиса» и Абсолем это подтверждает, заодно Алиса наконец понимает, что это не сон и она уже была прежде в Стране чудес. Алиса надевает доспехи и объявляет, что согласна биться с Бармоглотом.

Кульминацией фильма служит сражение армий Красной и Белой королев на шахматной доске (видимо, у Мрамории) с участием призванного Королевой Бармаглота. В итоге Алиса находит удачный момент и отрубает Бармаглоту голову, после чего армия Красной королевы отказывается служить своей госпоже. Белая королева получает корону, а Красную отправляют в ссылку с Валетом, который безуспешно пытается убить её.

Шляпник танцует джигу-дрыгу — этот танец он специально берёг для Бравного Дня. Белая королева даёт Алисе бутылочку с эликсиром, возвращающим домой, который оказался кровью Бармаглота. Шляпник просит её остаться, так как он полюбил Алису, а она его. Алиса захотела остаться, но сказала, что в том мире у нее остались не оконченные дела, но она пообещала вернуться. Шляпник сказал, что она опять забудет его, на что Алиса ответила, что его не возможно забыть. Дома она отказывается стать женой Хэмиша, но готова сотрудничать с отцом незадачливого жениха. Алиса продолжает дело своего отца — торговлю, и намерена открыть новые горизонты. Она отплывает на корабле в дальние страны. Отправляясь в одно из дальних путешествий она увидела Абсолема, превратившегося в бабочку, которую видела в одном из своих давних снов. Алиса приветствует его, бабочка слетает с ее плеча, и девушка немного грустно улыбается.