อลิซ คิงส์ลีย์ (รับบทโดย มีอา วาซิโควสกา) ใช้เวลาหลายปีเดินทางสำรวจโลกกว้างตามรอยเท้าของพ่อ เมื่อเธอกลับมาถึงลอนดอน เธอได้พบกับกระจกวิเศษที่นำเธอกลับไปยังอันเดอร์แลนด์ ดินแดนมหัศจรรย์ที่เธอเคยผจญภัยในวัยเด็ก ที่นั่นเธอได้พบกับเพื่อนเก่าของเธออีกครั้ง ไม่ว่าจะเป็น กระต่ายขาว (ให้เสียงโดย ไมเคิล ชีน) แอ๊บโซเล็ม (ให้เสียงโดย อลัน ริคแมน) แมว เชสเชียร์ (ให้เสียงโดย สตีเฟน ฟราย) และ แมด แฮทเทอร์ (รับบทโดย จอห์นนี เดปป์) ที่ตอนนี้ดูเหมือนเขาจะสูญเสีย "ความบ้า"
ไป มิราน่า (รับบทโดย แอนน์ แฮทธาเวย์) จึงมอบภารกิจให้อลิซเดินทางย้อนเวลาเพื่อไปขอยืม โครโนสเพียร์ – เครื่องย้อนเวลาทรงกลมที่อยู่ในหอนาฬิกากลางเมือง การเดินทางย้อนเวลาทำให้อลิซได้พบกับเพื่อนและศัตรูของเธอในอดีต เธอต้องแข่งกับเวลาเพื่อช่วยแมด แฮทเทอร์ ก่อนที่ทุกอย่างจะสายเกินไป การผจญภัยครั้งใหม่ของอลิซในอันเดอร์แลนด์เต็มไปด้วยความสนุกสนาน ความตื่นเต้น และความท้าทายที่เธอต้องเผชิญ
