À l'instar de son père, Alice Kingsleigh (Mia Wasikowska) a sillonné mers et océans durant des années avant de regagner l'Angleterre. De retour à Londres, poursuivant un papillon bien connu, elle passe à travers un miroir magique qui la ramène tout droit au Pays des Merveilles. Là-bas, elle retrouve ses amis le Lapin Blanc (Michael Sheen), Absolem (Alan Rickman), le Chat du Cheshire (Stephen Fry) et le Chapelier Fou (Johnny Depp). Mais celui-ci n'est plus que l'ombre de lui-même : il a perdu sa fantaisie et sa folie. Face à cette situation, Mirana, la Reine Blanche (Anne Hathaway) confi e à Alice une mission : emprunter la Chronosphère afi n de remonter dans le passé. Ce n'est qu'au prix de cette quête périlleuse, de cette course contre le temps, qu'Alice pourra sauver le Chapelier avant qu'il ne soit trop tard.