Alice Kingsleigh ha pasado los últimos tres años siguiendo los pasos de su padre y navegando en alta mar. A su regreso a Londres desde China, se entera de que su ex prometido, Hamish Ascot, se ha hecho cargo de la empresa de su difunto padre y planea que Alicia ceda el barco de su padre a cambio de su casa familiar. Alicia sigue a una mariposa que reconoce como la Oruga y regresa al País de las Maravillas a través de un espejo. Alicia es recibida por la Reina Blanca, el Conejo Blanco, los Tweedles, el Lirón, la Liebre de Marzo, el Sabueso y el Gato de Cheshire. Le informan de que el Sombrerero Loco está más loco que de costumbre porque su familia ha desaparecido.

Alicia intenta consolarle, pero él sigue convencido de que su familia ha sobrevivido al ataque del Jabberwocky. La Reina Blanca, creyendo que encontrar a la familia del Sombrerero es la única forma de devolverle la salud, envía a Alicia a consultar al Tiempo y convencerle de que salve a la familia del Sombrerero en el pasado. La Reina Blanca advierte a Alicia que la historia se destruirá si el pasado y el presente de una persona se encuentran. Al entrar en el Castillo de la Eternidad, Alicia encuentra la Cronosfera, un objeto que controla todo el tiempo en el País de las Maravillas. Después de que el Tiempo le diga a Alicia que alterar el pasado es imposible, roba la Cronosfera y viaja al pasado, poco después de encontrar a la Reina Roja exiliada al cuidado del Tiempo. La Reina Roja ordena al Tiempo que persiga a Alicia, que accidentalmente viaja a la coronación de la Reina Roja. Allí, un Sombrerero Loco más joven se burla de la Reina Roja cuando la corona real no se ajusta a su cabeza anormal. Cuando la corona se rompe, la Reina Roja tiene una rabieta que hace que su cabeza se hinche. Su padre la considera incapaz de gobernar y pasa el título de reina a su hermana menor, la Reina Blanca.

Alicia se entera de un suceso en el pasado de ambas reinas que provoca fricciones entre las dos, y vuelve a viajar en el tiempo con la esperanza de cambiar el carácter de la Reina Roja y evitar que el Jabberwocky mate a la familia del Sombrerero. La joven Reina Blanca roba una tarta a su madre y se la come. Cuando su madre la confronta, miente sobre la tarta, lo que hace que su hermana sea acusada y que salga corriendo del castillo en un ataque. Alicia la ve a punto de chocar con un reloj y cree que éste es el suceso que deforma su cabeza y su personalidad. Consigue apartar el reloj, pero no consigue cambiar el pasado, ya que la Reina Roja tropieza y se golpea la cabeza. Alicia se enfrenta a un Tiempo debilitado, que la reprende por haber puesto todo el tiempo en peligro. Corre hacia un espejo cercano y vuelve al mundo real, donde se despierta en un hospital psiquiátrico, diagnosticada de histeria femenina. Con la ayuda de su madre, regresa al País de las Maravillas, donde viaja al ataque del Jabberwocky y descubre que la familia del Sombrerero no murió, sino que fue capturada por los Caballeros Rojos de la Reina Roja.

Volviendo al presente, Alicia descubre al Sombrerero Loco al borde de la muerte. Después de que Alicia le diga con lágrimas en los ojos que le cree, el Sombrerero se despierta y vuelve a ser el mismo de siempre. Los habitantes del País de las Maravillas van al castillo de la Reina Roja y encuentran a la familia del Sombrerero encogida y atrapada en una granja de hormigas. La Reina Roja los detiene y le roba la Cronosfera a Alicia, llevando a su hermana de vuelta al día en que mintió sobre la tarta. Para cuando Alicia y el Sombrerero llegan allí, la Reina Roja y su yo del pasado se ven mutuamente. Esto crea una paradoja temporal, y el País de las Maravillas se convierte rápidamente en óxido. Usando la Cronosfera, Alicia y el Sombrerero corren de vuelta al presente, donde Alicia es capaz de colocar la Cronosfera en su lugar original. Con la Cronosfera estabilizada, el País de las Maravillas vuelve a la normalidad. El Sombrerero Loco se reúne con su familia. La Reina Blanca se disculpa con su hermana por haber mentido, y ambas se reconcilian. Alicia se despide de sus amigos y regresa al mundo real, donde su madre se niega a entregar la nave de Alicia a Hamish, y ambos se disponen a viajar por el mundo en nombre de su propia empresa.