Tahun 1871 di London, Alice Kingsleigh yang berusia 19 tahun masih berduka atas kematian ayahnya. Ia juga mulai ngerasa tertekan dengan ekspektasi sosial yang ribet banget di zamannya, harus jadi perempuan 'sempurna', menikah mapan, dan hidup sesuai standar masyarakat.

Di sebuah pesta kebun keluarga Ascot, Alice tiba-tiba dilamar oleh Hamish Ascot, dan jelas itu bukan lamaran yang dia inginkan. Lagi panik dan overthinking, Alice melihat seekor kelinci putih pakai rompi dan membawa jam saku. Feeling deja vu banget. Ia mengejar kelinci itu sampai masuk ke lubang kelinci dan jatuh ke dunia lain.

Di sana, Alice minum dari botol bertuliskan 'Drink Me' (Pishsalver) dan tubuhnya mengecil. Karena jadi mini, ia nggak bisa mengambil kunci di atas meja. Ia lalu makan kue 'Eat Me' (Upelkuchen) dan malah berubah jadi raksasa. Setelah minum lagi supaya bisa masuk lewat pintu kecil, ia akhirnya masuk ke hutan dunia fantasi bernama Underland.

Di Underland, ia disambut oleh Kelinci Putih, Dormouse, Dodo, bunga-bunga yang bisa bicara, serta si kembar Tweedledum dan Tweedledee. Mereka semua tampak sudah mengenalnya, meski Alice yakin ini cuma mimpi.

Namun, Absolem si Ulat menjelaskan bahwa Alice bukan sedang bermimpi. Ia ditakdirkan membunuh monster Jabberwocky dan mengakhiri tirani Red Queen.

Belum sempat mencerna semuanya, mereka diserang monster Bandersnatch dan pasukan ksatria Red Queen yang dipimpin Knave of Hearts. Semua tertangkap kecuali Alice dan Dormouse. Knave lalu melaporkan ke Red Queen bahwa Alice sudah kembali, dan sang ratu memerintahkan agar ia segera ditemukan.

Alice kemudian dipandu oleh Cheshire Cat menuju pesta teh absurd milik Mad Hatter, March Hare, dan Dormouse. Tapi pesta itu digerebek pasukan Red Queen. Alice berhasil bersembunyi di dalam teko, sementara Mad Hatter membawanya ke tempat aman.

Mad Hatter menjelaskan bahwa Red Queen merebut takhta dari saudarinya, White Queen. Saat dikejar di hutan, Mad Hatter sengaja menyerahkan diri supaya Alice bisa kabur. Alice kemudian ditolong anjing pelacak Bayard yang ternyata berpihak pada perlawanan. Ia dibawa ke kastil Red Queen dan kembali jadi raksasa setelah makan Upelkuchen lagi.

Menyamar sebagai dayang istana bernama 'Um', Alice mengetahui bahwa pedang vorpal, satu-satunya senjata yang bisa membunuh Jabberwocky, disimpan di sarang Bandersnatch. Knave sempat mencoba menggoda Alice, tapi ia menolak. Red Queen yang cemburu langsung memerintahkan agar Alice dipenggal.

Alice berhasil mendapatkan pedang tersebut dan mengembalikan mata Bandersnatch yang sebelumnya dicuri Dormouse. Monster itu malah membantunya kabur sebagai tanda terima kasih. Ia lalu bertemu White Queen, yang memberinya ramuan untuk kembali ke ukuran normal.

Cheshire Cat dengan kemampuan berubah wujudnya membebaskan Mad Hatter, yang kemudian memicu pemberontakan rakyat Underland. Sementara itu, Absolem yang sedang berubah menjadi kepompong akhirnya membuat Alice ingat: ia pernah datang ke Underland saat kecil dan menyebutnya 'Wonderland'.

Sebelum kepompongnya tertutup, Absolem memberi pesan terakhir: hadapi Jabberwocky, selamatkan Underland, dan akhiri kekuasaan Red Queen untuk selamanya. Petualangan pun berubah jadi misi takdir.