Alice Kingsleigh (Mia Wasikowska) ha trascorso gli ultimi anni seguendo le impronte paterne e navigando per il mare aperto. Al suo rientro a Londra, si ritrova ad attraversare uno specchio magico che la riporta nel Sottomondo dove incontra nuovamente i suoi amici il Bianconiglio, il Brucaliffo, lo Stregatto e il Cappellaio Matto (Johnny Depp) che sembra non essere più in sé. Il Cappellaio ha perso la sua Moltezza, così Mirana (Anne Hathaway) manda Alice alla ricerca della Chronosphere, un oggetto metallico dalla forma sferica custodito nella stanza del Grand Clock che regola il trascorrere del tempo. Tornando indietro nel tempo, incontra amici e nemici in diversi momenti della loro vita e inizia una pericolosa corsa per salvare il Cappellaio prima dello scadere del tempo.