Alicia Kingsleigh (Mia Wasikowska) ha pasado los últimos tres años haciendo realidad su sueño: navegar en alta mar capitaneando su propio barco. Cuando regresa a Londres, y a pesar de que las cosas han cambiado mucho durante su ausencia, siguen vigentes los anticuados puntos de vista sobre el papel de la mujer. Así que los planes de futuro que tenía Alicia no tienen visos de hacerse realidad. Cuando asiste a una recepción en la residencia de Lord Ascot, a Alicia le embarga la emoción y sale disparada de la fiesta porque ha visto a Absolem (Alan Rickman). Convertida en una mariposa azul Monarca, Absolem lleva a Alicia a un espejo mágico, a través del cual regresa al reino fantástico del Submundo. Allí se reúne con sus amigos el Conejo Blanco (Michael Sheen), el Gato de Cheshire (Stephen Fry), el Lirón (Barbara Windsor), la Liebre de Marzo (Paul Whitehouse), los Tweedles (Matt Lucas) y el Sombrerero Loco (Johnny Depp) que, por desgracia, ya no es el mismo. El Sombrerero ha perdido su Muchosidad, por lo que Mirana (Anne Hathaway) envía a Alicia a buscar a Tiempo (Sacha Baron Cohen). Tiempo es una criatura muy peculiar que es parte humana y parte reloj. Vive en un vacío de infinitud y posee la Cronosfera, un globo metálico que permitirá a Alicia retroceder en el tiempo para salvar a la familia del Sombrerero, lo que a su vez salvará al Sombrerero en opinión de la Reina Blanca. Mientras tanto, Iracebeth (Helena Bonham Carter) sigue en el exilio después de que su hermana la desterrara a la Tierras Exteriores. Allí se ha hecho amiga de Tiempo y conspira para robar la Cronosfera y apoderársela. Alicia regresa al pasado, se cruza con amigos y enemigos en diferentes etapas de sus vidas, y se embarca en una carrera peligrosa por el Océano del Tiempo para escapar de Iracebeth y de Tiempo y salvar así al Sombrerero... antes de que se acabe el tiempo.


Descripción de personajes
Johnny Depp retoma el papel del Sombrerero Tarrant Hightopp, conocido por todos como el Sombrerero Loco. Cuando Alicia regresa al Submundo, se da cuenta que el Sombrerero está más loco de lo habitual.

Anne Hathaway vuelve a interpretar a Mirana, la dulce y encantadora Reina Blanca. Es la preciosa hermana pequeña de la malvada Reina Roja.

Mia Wasikowska retoma el papel de Alicia Kingsleigh, una joven muy decidida que ha crecido en el Londres victoriano. Es una soñadora y una inconformista. Alicia viajó por primera vez al Submundo cuando era una niña, y ahora, a punto de entrar en la edad adulta, se debate entre esa infinita curiosidad que heredó de su padre y ajustarse a las expectativas de los demás.

Iracebeth, la Reina Roja y antigua monarca del Submundo que gobernó con tiranía, malevolencia y muy mal genio, vuelve a estar interpretada por Helena Bonham Carter. Iracebeth desprecia a Mirana, su hermana pequeña.

Sacha Baron Cohen se incorpora al reparto en el papel de Tiempo, un ser mágico que se sienta en un trono negro en un castillo de eternidad. Tiene una mano humana y otra mecánica y posee la Cronosfera, una esfera metálica, brillante y giratoria, que está dentro de la cámara del Gran Reloj que domina el tiempo. Si se retira del reloj, la Cronosfera permitirá a la persona que se lo lleve a viajar por el Océano del Tiempo al pasado.

Otra novedad del elenco es Rhys Ifans como Zanik Hightopp, el padre del Sombrerero Loco. Es mucho más conservador que su hijo, al que somete a exigencias casi imposibles.

Alan Rickman vuelve a ser la voz de Absolem, la antigua oruga azul sabelotodo y algo snob.

Stephen Fry vuelve a prestar su voz a Chessur, el Gato de Cheshire, un felino astuto al que le gusta sonreír maliciosamente y desaparecer.

Michael Sheen vuelve a poner voz a McTwisp, el Conejo Blanco, que sigue obsesionado con la puntualidad.

Matt Lucas regresa para ser la voz de los Tweedles, los rechonchos hermanos gemelos que son inmaduros y sobre todo, incomprensibles.

Timothy Spall vuelve a poner voz a Bayard, un sabueso gigante que solía estar al servicio de la Reina Roja pero que ahora es un aliado de Alicia y sus amigos.

Paul Whitehouse presta de nuevo su voz a Thackery, la agitado y temperamental Liebre de Marzo que organiza las meriendas a la hora del té del Sombrerero.

Barbara Windsor regresa como la voz de Mallymkun, el Lirón ferozmente leal.