19歳になり、美しい娘に成長したアリス（ミア・ワシコウスカ）は、退屈な婚約者からのプロポーズに困惑し、その場を逃げ出す。そのとき目の前に現れたのは懐中時計を持った白ウサギ（声：マイケル・シーン）。その後を追って穴に転がり落ちたアリスが辿り着いたのはアンダーランドと呼ばれる不思議の国。ここの住人である白ウサギたちが、アリスを呼び寄せたのだ。アンダーランドは独裁者、赤の女王（ヘレナ・ボナム＝カーター）が君臨する暗黒時代。“預言の書”には、救世主が現れてこの暗黒時代を終わらせるとあった。そして、そこに描かれた救世主こそアリス。だが、芋虫のアブソレム（声：アラン・リックマン）は、アリスを“偽者”と疑う。彼女は、幼い頃にこの地で冒険を繰り広げたことを、すっかり忘れていたのだ。そこへ、赤の女王が放った怪物が襲いかかる。アリスが救世主だと知った赤の女王は激怒、彼女を生け捕りにするよう命令を下す。危機一髪で難を逃れたアリスは、チェシャ猫（声：スティーヴン・フライ）の案内で、帽子屋マッドハッター（ジョニー・デップ）と出会う。赤の女王に抵抗するマッドハッターは、アリスを連れてかつての統治者である白の女王（アン・ハサウェイ）のもとへと向かう。だが、途中で赤の女王の臣下ハートのジャック（クリスピン・グローヴァー）に襲撃される。アリスの身代わりで囚われるマッドハッター。アリスは危険を冒して統治者の証“ヴォーパルの剣”を赤の女王から取り戻すと、白の女王へ届ける。こうして白の女王のもとには、救世主が身に付ける鎧一式が揃った。あとは、アリスが救世主の運命を受け入れて、赤の女王が操るクリーチャーのジャバウォッキーを倒せば、平和が訪れるはずだった…。だがその頃、赤の女王の城にマッドハッターや白ウサギたちが囚われ、命の危機に瀕していた。果たして、アリスは救世主としてアンダーランドを救うことができるのか……？