Helen Kingsleigh (Lindsay Duncan) fährt mit ihrer 19-jährigen Tochter Alice (Mia Wasikowska) in einer Kutsche zum Schloss Lord Ascots (Tim Pigott-Smith), eines Geschäftspartners ihres verstorbenen Ehemanns Charles (Marton Csokas). Helen ist entsetzt, als sie feststellt, dass Alice weder Korsett noch Strümpfe trägt. Dabei haben Lord Ascot und Lady Ascot (Geraldine James) zu einer großen Gartenparty in ihren Schlosspark eingeladen.

Auch Alices ältere Schwester Margaret (Jemma Powell) ist mit ihrem Ehemann Lowell (John Hopkins) unter den Gästen. Tante Imogene (Frances de la Tour) hängt ihren verrückten Vorstellungen nach. Faith und Fiona Chattaway (Eleanor Gecks, Eleanor Tomlinson) ziehen Alice auf, denn sie haben im Gegensatz zu ihr bereits gerüchtweise erfahren, dass es sich bei der Gartenparty um eine Verlobungsfeier handelt: Hamish (Leo Bill), der ebenso blasierte wie langweilige Sohn der Ascots, soll Alice Kingsleigh vor allen Gästen einen Heiratsantrag machen, und selbstverständlich wird erwartet, dass sie ihn annimmt.

Tatsächlich bestellt Hamish Alice nach einem ersten Tanz in den Gartenpavillon. Dort kniet er sich vor sie hin und fragt sie, ob sie seine Frau werden wolle. Alice bittet um etwas Bedenkzeit und läuft einem weißen Kaninchen mit Weste und Taschenuhr nach, das durchs Gebüsch huscht und Alice an ihre Erlebnisse als Sechsjährige (Mairi Ella Challen) im Wunderland erinnert. Inzwischen glaubt sie allerdings zu wissen, dass sie das alles nur träumte.

Das seltsame Kaninchen verschwindet in einem Loch. Alice beugt sich neugierig hinein, verliert das Gleichgewicht und stürzt durch einen langen Tunnel in ein Zimmer mit mehreren abgesperrten Türen. Auf dem Tisch liegt ein Schlüssel, mit dem sich allerdings nur eine winzige Türe öffnen lässt, durch die Alice sich nicht hindurchzwängen kann. Nachdem sie den Schlüssel zurückgelegt hat, trinkt sie etwas aus einer Karaffe und schrumpft zu einem Winzling. Weil sie jetzt nicht mehr an den Schlüssel herankommt, beißt sie von einem Törtchen ab, das sie bis zur Zimmerdecke wachsen lässt. Sie nimmt den Schlüssel, verkleinern sich wieder und verlässt den Raum durch das Türchen.

So gelangt sie in eine Märchenwelt, die allerdings nicht Wunderland heißt, wie sie bisher aufgrund eines Hörfehlers glaubte, sondern Unterland. Hier trifft Alice auf das weiße Kaninchen, eine Haselmaus sowie die Zwillinge Diedeldum und Diedeldei (Matt Lucas), die kurze Zeit später von einem Greifvogel verschleppt werden. Die weise Raupe Absolem lässt das Orakel entrollen, aus dem hervorgeht, dass Alice am Blumertag den Drachen Jabberwocky töten und dadurch das Land von der despotischen Roten Königin (Helena Bonham Carter) befreien wird, die ihrer Schwester, der Weißen Königin (Anne Hathaway), die Krone raubte.

Eine Bandersnatch genannte Bestie greift an, jagt Alice und verletzt sie mit einem Tatzenhieb am Oberarm. Erst als es der Haselmaus gelingt, auf Bandersnatchs Kopf zu springen und der Kreatur das rechte Auge auszustechen, kann Alice wieder durchatmen.

Die schwebende Grinsekatze führt sie zum Verrückten Hutmacher (Johnny Depp), der gerade mit dem Märzhasen Tee trinkt. Als der Herzbube Ilosovic Stayne (Crispin Glover) mit Truppen der roten Königin auftaucht, lässt der Hutmacher Alice weiter schrumpfen und versteckt sie in der Teekanne. Der eigentlich gutmütige Bluthund Bayard, der jedoch der Roten Königin zu Diensten sein muss, weil diese seine Frau und die Kinder gefangen hält, riecht Alice, verrät sie jedoch nicht, sondern lockt Stayne auf eine falsche Spur.

Der Hutmacher will Alice zur Weißen Königin bringen. Als sie auf Soldaten der Roten Königin treffen, setzt der Hutmacher Alice auf die Krempe seines Hutes und schleudert diesen weit weg, bevor er sich den Soldaten ergibt, die annehmen, dass er allein ist.

Bayard stöbert Alice am nächsten Morgen auf. Sie möchte von ihm zum Schloss der Roten Königin gebracht werden, um den dort gefangen gehaltenen Hutmacher zu befreien. Sie zwängt sich durch eine Ritze in der Gartenmauer. Die Rote Königin spielt gerade Golf mit einem zusammengerollten Igel als Ball und einem an den Beinen gehaltenen Flamingo als Schläger. Das weiße Kaninchen, das gezwungenermaßen zum Gefolge der Roten Königin gehört, gibt Alice ein Törtchen, das sie wachsen lässt, bis sie die Königin überragt. Weil sie dabei ihr Gewand abgesprengt hat, schaut sie hinter einem Busch hervor, gibt sich als Em aus Empöringen aus und bittet die Königin um ein Kleid.

Unter den Gefangenen der Königin entdeckt sie außer dem Verrückten Hutmacher, dem Weißen Kaninchen und der Haselmaus die Zwillinge Diedeldum und Diedeldei. Das Kaninchen verrät Alice, wo das Mrutal-Schwert versteckt ist, mit dem sie dem Orakel zufolge den Jabberwocky enthaupten wird. Bandersnatch bewacht das Schwert. Weil Alice der Bestie jedoch das Auge zurückbringt, lässt diese zu, dass sie das Schwert an sich nimmt, und als Stayne die Wachen alarmiert und ihnen befiehlt, Alice festzunehmen, bringt Bandersnatch Alice auf seinem Rücken aus dem Schloss. Sie reitet auf ihm zur Weißen Königin.

Währenddessen wird der Hutmacher zum Richtblock geführt. Die Königin schaut von einem Balkon aus zu, und das Volk drängt sich auf dem Platz davor. Der zum Tod Verurteilte bittet darum, seinen Hut aufbehalten zu dürfen. Der Henker erlaubt es. Als er mit dem Beil zuschlägt, trennt er nur den Hut ab, und der schwebt in die Luft, denn darin hat sich die Grinsekatze verborgen. Der Hutmacher ruft zum Sturz der Roten Königin auf, die daraufhin den Käfig eines aggressiven Greifvogels öffnen lässt. In dem Chaos entkommen der Hutmacher, Diedeldum und Diedeldei, die Haselmaus, Bayard und dessen Familie. Sie machen sich auf den Weg zur Weißen Königin.

Die braut inzwischen einen Trank, der Alice auf ihre eigentliche Größe schrumpfen lässt.

Alice ist verzweifelt. Denn der Blumertag steht bevor und sie traut sich nicht zu, den riesigen Jabberwocky zu bezwingen. Absolem, der sich gerade verpuppt, versucht ihr Mut zu machen.

Am nächsten Morgen marschieren die Rote und die Weiße Königin mit ihren Truppen zum Schlachtfeld. Die Weiße Königin schlägt ihrer bösen Schwester vor, die Krone freiwillig zurückzugeben und Frieden zu schließen, aber davon will die Rote Königin nichts wissen. Die Schlacht beginnt. Alice, die eine Ritterrüstung trägt und mit dem Mrutal-Schwert bewaffnet ist, kämpft gegen den Jabberwocky. Mehrmals stürzt sie zu Boden und rechnet mit ihrem Tod, aber am Ende gelingt es ihr, dem Drachen den Kopf abzuschlagen. Währenddessen hat der Verrückte Hutmacher Ilosovic Stayne bezwungen. Der Herzbube liegt wehrlos am Boden. Der Hutmacher könnte ihn töten, lässt ihn jedoch leben.

Die Grinsekatze schwebt mit der Krone von der Roten zur Weißen Königin.

Die Weiße Königin verzichtet darauf, ihre Widersacherin hinrichten zu lassen. Stattdessen verbannt sie ihre Schwester und deren Günstling Ilosovic Stayne.

Dann fängt sie etwas Blut des toten Jabberwocky in einem Flakon auf und gibt ihn Alice. Nachdem diese sich auch vom Verrückten Hutmacher verabschiedet hat, nippt sie an dem Fläschchen und kehrt in die andere Welt zurück.

Sie klettert aus dem Loch, geht zum Gartenpavillon, wo Hamish und die Gäste noch auf ihre Antwort warten und lehnt den Heiratsantrag selbstbewusst ab.

Obwohl sie nun nicht Lord Ascots Schwiegertochter wird, nimmt dieser sie respektvoll als Auszubildende in sein weltweites Unternehmen auf und schickt sie als Erstes nach China. Als das Schiff ablegt, setzt sich ein Schmetterling auf Alices Schulter, den sie für Absolem hält.