亡き父の後を継ぎ、船長として中国航海から3年ぶりにロンドンへ帰還したアリス（ミア・ワシコウスカ）。しかし、現実世界では女性に対する偏見や元婚約者からの船の売却要求など、厳しい現実に直面していました。失意のなか、青い蝶となった旧友アブソレムに導かれ、不思議な鏡を通り抜けて再びワンダーランドへと足を踏み入れます。
ワンダーランドでは、ジョニー・デップ演じるマッドハッターが深刻な鬱状態に陥っていました。過去の「ジャバウォッキーの日」に失ったはずの家族が生きていると信じ込み、その想いを誰にも信じてもらえず心を閉ざしていたのです。親友を救うため、アリスは城の主である時間の番人「タイム」（サシャ・バロン・コーエン）のもとを訪れ、時空を移動できる動力源「クロノスフィア」を持ち出して過去への旅に出ます。
過去の世界でアリスが目撃したのは、マッドハッターと父親のすれ違い、そして赤の女王（ヘレナ・ボナム＝カーター）と白の女王（アン・ハサウェイ）の確執の始まりでした。幼少期、白の女王がついた小さな嘘が原因で赤の女王が階段で頭を強打し、頭部が肥大化するとともに周囲から冷遇されるトラウマを抱えていたという衝撃の真実が明かされます。
アリスの奔走により、マッドハッターの家族はかつて赤の女王に捕らえられ、アリの巣のようなミニチュアケースの中に生きたまま監禁されていたことが判明。アリスたちはタイムの追跡と世界の崩壊（時間の凍結）の危機を間一髪で乗り越え、ハッターの家族を救出し、世界を元に戻すことに成功します。ラストでは、赤の女王が白の女王からの心からの謝罪を受け入れて和解。アリスは現実世界へ戻り、母とともに新たな航海事業を立ち上げる決意を固めて物語は幕を閉じます。
