Alice Kingsleigh (Wasikowska) ha pasado los últimos años siguiendo los pasos de su padre y navegando en alta mar. A su regreso a Londres, atraviesa un espejo mágico y regresa al reino fantástico del Submundo con sus amigos el Conejo Blanco (Sheen), Absolem (Rickman), el Gato de Cheshire (Fry) y el Sombrerero Loco (Depp), que no es él mismo. El Sombrerero ha perdido su Muchosidad, por lo que Mirana (Hathaway) envía a Alice a pedir prestada la Cronosfera, un globo metálico dentro de la cámara del Gran Reloj que alimenta todos los tiempos. Al volver al pasado, se cruza con amigos -y enemigos- en diferentes momentos de sus vidas, y se embarca en una carrera peligrosa para salvar al Sombrerero antes de que acabe el tiempo.

Secuela de la película de 2010, 'Alicia en el País de las Maravillas', en sí misma una especie de secuela de los textos del siglo 19 de Lewis Carroll, 'Alice's Adventures in Wonderland' y 'Through the Looking-Glass'.