อลิซ คิงส์ลีห์ (มีอา วาซิโควสกา) ใช้เวลา 2-3 ปีที่ผ่านมาเดินตามร้อยเท้าของพ่อออกเดินเรือไปสู่ทะเลกว้าง ระหว่างเดินทางกลับสู่ลอนดอน เธอได้พบกับกระจกมหัศจรรย์และได้กลับไปอาณาจักรมหัศจรรย์แห่งอันเดอร์แลนด์และเพื่อนของเธอ กระต่ายขาว (พากย์เสียงโดย ไมเคิล ชีน), หนอนผีเสื้อ (พากย์เสียงโดย อลัน ริคแมน), แมวเชสเชอร์ (พากย์เสียงโดย ไมเคิล ฟราย) และ แมด แฮทเทอร์ (จอห์นนี่ เดปป์) ที่ตอนนี้ไม่ได้เป็นตัวของเขาเอง แฮทเทอร์ ได้สูญเสียลูกบ้าของเขา มิราน่า (แอนน์ แฮทธาเวย์) จึงส่ง อลิซ ออกเดินทางเพื่อไปขอยืมโครโนสเพียร์ เครื่องย้อนเวลา โลหะทรงกลมภายในหอนาฬิกากลาง ที่ให้พลังกับทุกเวลา การเดินทางย้อนเวลาทำให้เธอได้พบกับเพื่อนและศัตรู ในช่วงเวลาต่าง ๆ ของชีวิตพวกเขา และต้องแข่งกับเวลาเพื่อที่จะช่วย แฮทเทอร์ ก่อนที่เวลาจะหมดลง
