本作の物語は、亡き父の貿易船「ワンダー号」の船長として3年にわたる航海からロンドンへ帰還したアリス・キングスレーの苦境から幕を開けます。元婚約者のヘイミッシュによる策謀で愛船を手放す危機に瀕したアリスは、蝶となった旧友アブソレムに導かれ、鏡を通り抜けて再びアンダーランドへと足を踏み入れます。
再会したアンダーランドの仲間たちは悲嘆に暮れていました。マッドハッター（タラント・ハイトップ）が、かつてジャバウォッキーの襲撃（恐怖の日）で命を落としたと信じられていた家族の生存を確信し、誰にも信じてもらえない絶望から衰弱し、命の危機に陥っていたのです。アリスは親友ハッターを救うため、アンダーランドの時間を司る城へ潜入し、時間の番人タイムが守る動力源「クロノスフィア（時間の球）」を奪取して過去への旅に出発します。
過去の世界でアリスが目撃したのは、ハッターと厳格な父ザニックとのすれ違い、そしてハッターが最初に作った粗末な帽子を父が密かに大切に保管していたという真実でした。さらにアリスは、ハイトップ家が虐殺されたのではなく、赤の女王（イラスベス）によって捕縛され、生かされていた事実を突き止めます。
激しいタイムパラドックスによる世界の凍結危機を乗り越え、アリスは間一髪でクロノスフィアを台座に戻すことに成功します。世界が息を吹き返した瞬間、ハッターは救出された家族と涙の再会を果たしました。現実世界へ戻ったアリスは、母親と共に自らの力で新たな海運会社「ハリス＆キングスレー社」を立ち上げ、再び大海原へと船出していく清々しいラストを迎えます。
