Il film inizia con il padre di Alice che discute di affari con alcuni uomini, quando compare Alice bambina che ha avuto il solito incubo: precipita in un buco e incontra strane creature, tra cui un coniglio con un panciotto, un gatto che sorride e un bruco tutto blu. Il padre la tranquillizza, si tratta solo di un sogno e se le fa tanta paura può svegliarsi con un pizzico.
Poi si vede Alice più grande che in carrozza con la madre viene sgridata perché non ha il corsetto e le calze e si lamenta del solito incubo, sempre lo stesso da quando ne ha memoria. Le due si stanno recando ad una festa organizzata dalla moglie di uno degli uomini d'affari con cui il padre di Alice discuteva nella scena iniziale: il padre è morto, ma le sue idee "impossibili" si sono rivelate di successo. Alice non lo sa, ma quella a cui prende parte è la festa per il suo fidanzamento con il figlio (orribile e viziato) della padrona di casa e dell'uomo d'affari, che ha rilevato la società del padre di Alice quando lui è morto.
Mentre balla la quadriglia con il ragazzo che vorrebbero che sposasse, Alice ha "visioni" di donne con i pantaloni e uomini con la gonna e pensa a come sarebbe bello volare. E' così distratta che il ragazzo la sgrida e poi le chiede di aspettarlo sotto il gazebo: è arrivato il momento della proposta di matrimonio...
Alice non immagina nulla fino a quando due gemelle non le dicono tutto; la sorella di Alice la esorta ad accettare la proposta in modo tale da non essere un peso per la madre: le assicura che sarà felice come lo è lei con su marito, ma Alice scopre il marito della sorella che si bacia con un'altra donna...
La madre del futuro sposo chiede ad Alice di fare una passeggiata nel giardino da sole e le confessa che il suo più grande timore era avere nipoti orribili; intanto vede le rose bianche piantate nel giardino e si lamenta che non le hanno piantate rosse e Alice le propone di dipingerle... Questa idea non "suona" nuova... Ad un certo punto della camminata Alice vede il Bianconiglio e lo insegue, ma lo perde di vista. Poi si vedono Alice e il futuro sposo sotto al gazebo e tutti gli invitati che li guardano; dopo la proposta Alice scappa perché ha bisogno di un po' di tempo per rifletterci: insegue di nuovo il coniglio con il panciotto e cade nel buco del suo incubo. Ha inizio l'avventura nel Paese delle Meraviglie, come lei lo ha "battezzato" anni prima.
La caduta nel buco è molto bella in 3D: si ha l'impressione di precipitare e sembra che gli oggetti ci vengano addosso.
Alice, alla fine del volo, atterra su un soffitto: sta a testa in giù, si vede dai capelli che le si sono sciolti durante la caduta. Quindi precipita sul pavimento e si ritrova in una stanza con tante porte chiuse, un tavolo con una bottiglia e una chiave sopra e un dolcetto (
torta insù) sotto: la bottiglia contiene una sostanza che la fa rimpicciolire e il dolce la fa crescere. Dopo alcuni tentativi Alice riesce a trovare le giuste dimensioni per prendere la chiave ed entrare in una porta: adesso sta nel Paese delle Meraviglie a tutti gli effetti, ma lei è convinta che si tratti del suo sogno. La scena nella stanza è stata commentata da un paio di voci (ghiro e coniglio con il panciotto) che hanno fatto intuire che quella non era la prima volta che "una Alice" (non si sa se era lei) è stata nel Paese delle Meraviglie: alla fine si scoprirà che era proprio lei e che il suo incubo non era un sogno senza senso, ma solo una serie di ricordi.
I personaggi che incontra una volta oltrepassata la porta (tra cui il
Bianconiglio e
PincoPanco e PancoPinco) decidono di portarla dal
Brucaliffo, che è "la saggezza", per stabilire se è lei l'Alice che aspettavano o se il coniglio con il panciotto ha sbagliato. Il Brucaliffo le chiede: "
Chi sei tu?"; mi aspettavo "Chi essere tu?", come nel cartone Disney di 60 anni fa, invece...
L'
oracolum, un compendio calendrico di sottomondo, narra la storia di ogni singolo giorno dal principio; in questo si vede anche il
giorno gioiglorioso, cioè quello in cui Alice uccide il
Ciciarampa.
Dopo una serie di disavventure con il
Grafobrancio e il
fante di cuori (il tutto avviene il modo molto concitato) PincoPanco e PancoPinco vengono portati dalla
Regina rossa e Alice si trova a vagare da sola fino a quando non incontra lo
Stregatto che la porta dal trio di matti (
Cappellaio matto,
Leprotto marzolino e ghiro); il Cappellaio matto per salvarla viene catturato e portato al castello della Regina rossa. Alice decide di salvarlo: va al Castello della Regina rossa reggendosi al collare di un cane (
Bloodhound) fedele alla Regina bianca, dove il Binconiglio è diventato il paggio e PincoPanco e PancoPinco vengono derisi dalla Regina (e chiamati "i miei pancioni"). Lì Alice, "Emm", mangia la tortainsù e diventa gigante, così la Regina la promuove al ruolo di sua preferita. Il cappellaio matto fa cappelli alla Regina rossa e così non gli è stata tagliata la testa.
Nel castello Alice ha modo di recuperare la spada (
Bigralace ) che le consentirà di uccidere il Ciciarampa: questa è sorvegliata dal Grafobrancio, che nella battaglia di cui sopra aveva perso il suo occhio a causa del ghiro e aveva ferito Alice ad un braccio piuttosto seriamente. Alice restituisce l'occhio alla bestia, che da quel momento passa dalla parte di Alice: le fa prendere la spada, lecca la ferita che Alice ha sul braccio e poi l'aiuta a scappare dal Castello della Regina rossa e la porta dalla Regina bianca a Marmorea.
Intanto il Cappellaio matto e il ghiro stanno per essere giustiziati per aver fatto scappare Alice, ma lo Stregatto li aiuta a scappare. Prima di fuggire il Cappellaio matto svela alla regina rossa che tutti coloro che le stanno attorno sono falsi; lei libera il
Ciciasa (
) e decide di andare a "far visita" alla sorella con il Ciciarampa. Il giorno gioiglorioso sta arrivando.
Nel giorno della battaglia Alice decide di prendere il suo posto di paladina della Regina bianca e... tutto va come l'oracolum aveva previsto. Alice pensa a 6 cose impossibili, come faceva il padre prima della colazione; l'ultima di queste cose impossibili è uccidere il Ciciarampa.
Alice ritorna nel suo mondo, ora consapevole dell'origine del suo incubo; sotto al gazebo c'è sempre il suo aspirante sposo in attesa di una risposta: non è trascorso molto tempo per coloro che hanno preso parte alla festa. Alice decide di non sposarsi e di guardare lontano, come faceva suo padre, anzi lei guarda oltre (fino alla Cina): si mette in affari con il padre di quello che doveva essere il suo sposo e parte per la sua avventura salutando il Brucaliffo che è diventato una farfalla.