Durante muitos anos, Alice Kingsleigh é assombrada por estranhos sonhos, em que está em um mundo fantástico, com animais e personagens inusitados. No entanto, o tempo passa e ela acaba esquecendo essas imagens que sempre estavam presentes em suas noites, mas continua se sentindo deslocada do mundo onde vive: a aristocracia vitoriana de Londres. Aos 19 anos, a jovem é convidada para uma festa e, apenas quando chega lá, descobre que é para celebrar seu próprio noivado com Hamish Ascot, que representa o que ela mais detesta na sociedade.

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Durante o anúncio, a garota avista um estranho coelho correndo pelo campo. Curiosa sobre o que aquele animal estaria fazendo, vestido como um humano, ela decide segui-lo, e acaba caindo em um profundo buraco que a leva para um mundo subterrâneo. Lá, ela encontra o Coelho Branco, com outros estranhos tipos, como a lagarta Absolem e os gêmeos Tweedledee e Tweedledum, todos aguardando o retorno da menina que havia visitado aquele mundo há alguns anos, e que irá livrá-los de um grande predador, o monstro Jaguadarte.

Negando uma visita anterior, Alice segue conhecendo aquele estranho mundo, e é apresentada a outros curiosos personagens, como a malvada Rainha Vermelha (Helena Bonham Carter), sua boa irmã, a Rainha Branca (Anne Hathaway), e o irreverente Chapeleiro Maluco (Johnny Depp). Enquanto a jovem ajuda seus novos amigos a livrar o mundo subterrâneo da tirana vermelha, vai percebendo as semelhanças daquilo que vê com seus sonhos de infância.

A aguardada versão de Tim Burton para o clássico de Lewis Carroll, Alice no País das Maravilhas, conta o que teria acontecido à personagem depois de se tornar uma adulta. A obra é a primeira do cineasta a ser planejada para ser exibida em 3D. Mesmo assim, o diretor preferiu filmar em 2D, para depois fazer a conversão. Para criar o fantástico visual do filme, Burton chamou Ken Ralston, que fez mais de 2.500 cenas de efeitos especiais. Dentre os que mais chamam a atenção, está a cabeça gigante da Rainha Vermelha, de Helena Bonham Carter, e os olhos grandes do Chapeleiro Maluco, de Johnny Depp.