你肯定不信，眼前這兩個相貌相差如此大的人居然是親姐妹。這個長著大腦袋的人叫做紅皇后，膚白貌美的人叫做白皇后。其實小的時候紅皇后比白皇后更漂亮。那怎麼會變成這樣呢？原來小時候的白皇后偷吃蛋糕，蛋糕碎屑掉在了地上。白皇后把碎屑踢到紅皇后的床下。此時她們的母親發現床下的碎屑，質問她們誰偷吃的。
白皇后撒了謊，母親便認為是紅皇后偷吃的。紅皇后被冤枉很委屈，傷心的跑了出去，結果一不小心腦袋撞到了石像的台階上。從此以後，紅皇后就變成了大頭娃娃。長大後，國王決定把王位傳給長女紅皇后。但是在戴王冠的時候因為頭太大，把王冠撐壞了，引來台下很多人的嘲笑。
紅皇后想讓大家停止嘲笑，但是大家笑的愈發強烈，因為變成了大頭娃娃。紅皇后經常遭到人們的歧視和嘲笑，而白皇后因為甜美可愛受到大家的愛戴。紅皇后此時再也抑制不住內心的情緒，威脅大家要砍了他們的腦袋。
但國王看到紅皇后這樣的表現，決定廢掉紅皇后，把王位傳給白皇后。紅皇后認為這一切都是妹妹的錯，沒有人愛她，就和惡龍做朋友。在用大火燒掉了王宮後，帶著惡龍離開，建立了紅桃城堡。
很多年過去，紅皇后和白皇后約定在決戰之日打一架，誰贏了誰就當女王。為了能打敗紅皇后的惡龍，白皇后只能按照預言尋找一個叫做愛麗絲的女孩。愛麗絲在小時候經常做一些奇怪的夢，夢見自己去過仙境，而父親總是會想辦法安慰她，哄她開心。
多年後，愛麗絲的父親因為經商失敗，變成了落魄貴族。為了延續家族的輝煌，她的母親打算將她嫁出去，於是帶她去參加名門貴族們舉辦的舞會。
這時一個貴族突然向她求婚，但愛麗絲不喜歡包辦婚姻，她是一個崇尚自由戀愛的女孩。這時她發現了一隻穿著西裝背心的兔子，她趁機離開了宴會。在兔子的帶領下，愛麗絲發現了一個樹洞。
隨後，愛麗絲不小心掉了進去，她掉進一個密室里。愛麗絲在桌上找到了一把鑰匙，打開了一扇門。但是因為門太小，發現自己鑽不進去，這時她發現桌上放著一瓶魔法藥水，於是愛麗絲喝下了藥水，很快她就變成了迷你版愛麗絲。
就在她跑去開門的時候，發現門自己鎖上了，她只好再去拿鑰匙，但是鑰匙被她放在了桌子上，根本夠不到。這時她發現桌子底下放著一塊蛋糕，於是她又拿起蛋糕吃了下去。這一次她變成了巨人，愛麗絲拿到鑰匙，再次喝下縮小藥水，穿過小門，她來到了仙境世界。
在這裡，愛麗絲遇見了一對雙胞胎，還有很多會說話的小動物，毛毛蟲大師拿出一本記載著所有事情的神諭捲軸，得知愛麗絲將會在白皇后和紅皇后的決戰日，手持神劍打敗惡龍。愛麗絲認為自己在做夢，於是掐了一下自己，但依舊沒有醒來。
就在此時，獨眼騎士帶著長毛怪趕到，隨之而來的還有紅皇后的手下，動物們很快就被抓了起來。眼看長毛怪就要抓住愛麗絲，小白鼠拼死一搏，跳到長毛怪身上，用劍挑走長毛怪的眼珠，愛麗絲才得以逃走。
但是獨眼騎士見到了神諭捲軸，獨眼騎士將捲軸帶給了紅皇后，告訴她有一天愛麗絲會打敗她心愛的惡龍。紅皇后命令獨眼騎士全力追殺愛麗絲，獨眼騎士脅迫黑狗尋找愛麗絲，答應黑狗。如果找到愛麗絲，就放了它全家。
迷失在森林裡的愛麗絲遇到了藍貓，妙妙。妙妙是個幻術大師，特別擅長使用幻術，他幫助愛麗絲包紮了傷口，然後指引愛麗絲找到了瘋子三人組，瘋帽子。三月兔和睡鼠。看到愛麗絲出現後，瘋帽子十分的激動，他一眼就認出了這是真正的愛麗絲。他告訴愛麗絲要開始為決戰之日做準備，打敗討厭的大頭紅皇后。
但愛麗絲始終不相信，因為愛麗絲不想屠殺任何人，怎麼可能去殺什麼惡龍。就在這時，紅皇后的手下獨眼騎士帶著撲克士兵出現了，瘋帽子趕緊讓愛麗絲喝下了縮小藥水，藏進了茶壺裡。獵狗通過氣味發現了藏在茶壺裡的愛麗絲，得知瘋帽子要反抗紅皇后，獵狗選擇掩護愛麗絲，將獨眼騎士帶到別處繼續搜尋。
隨後，瘋帽子決定把愛麗絲帶到白皇后那裡。為了掩護愛麗絲，瘋帽子用他的帽子將愛麗絲扔到了河對面，而他則被撲克騎士抓住。第二天，獵狗找到了愛麗絲。獵狗說自己的老婆孩子都在紅皇后手裡，只好抓住瘋帽子交差。
愛麗絲是個重情重義的人，他決定去救回瘋帽子。於是在獵狗的幫助下愛麗絲前往紅皇后城堡，在城堡外是一條護城河，愛麗絲鼓起勇氣完成了男生女生向前沖，然後通過一個牆縫鑽進了城堡。
紅皇后正在大家面前展示自己的高爾夫球技，愛麗絲趕忙救下了小刺蝟。紅皇后吩咐兔子先生去找刺蝟，於是兔子先生發現了愛麗絲，得知愛麗絲是來救瘋帽子的。
兔子先生把變大蛋糕給了愛麗絲，吃下變大蛋糕的愛麗絲瞬間變成了小巨人。紅皇后發現了愛麗絲，但因為愛麗絲成了小巨人，腦袋和自己的一樣大，於是紅皇后把愛麗絲當做賓客，熱情招待。
這個大頭紅皇后特別喜歡用小豬溫暖的肚皮墊腳，還喜歡讓鲶魚和青蛙做侍從。紅皇后讓撲克士兵把瘋帽子帶進了宮殿裡，讓他說出愛麗絲的下落，不然就砍掉他的腦袋。這時瘋帽子卻提出要幫紅皇后給她美麗的大腦袋設計一款帽子，畢竟女人都是愛美的。
紅皇后果然改口讓瘋帽子幫她設計一個帽子，愛麗絲很快找到了被關押的瘋帽子。瘋帽子告訴愛麗絲能打敗惡龍的神劍就藏在地牢裡。愛麗絲來到地牢，發現神劍被長毛怪守著。愛麗絲看到長毛怪因為驅勢一隻眼睛痛苦著，於是找到小白鼠要來了眼珠還給長毛怪，眼睛恢復的長毛怪頓時變得沒有敵意，而且還把鎖著神劍的鑰匙送給愛麗絲。
就這樣愛麗絲順利拿到了這把強化99的神劍。而另一邊獨眼騎士回到城堡，揭穿了愛麗絲的真實身份。紅皇后很生氣，下令抓住愛麗絲。愛麗絲還沒來得及離開就被士兵團團圍住。
這時，長毛怪沖了出來，救走了愛麗絲。逃往白皇后的城堡，愛麗絲將神劍交給白皇后。為了幫愛麗絲恢復正常身高，白皇后來到藥劑室，各種不能吃的配料一頓加。最後加了一口唾沫，神奇的縮小藥水就誕生了。
而這邊因為愛麗絲偷走神劍，瘋帽子即將被處決。當劊子手砍下去的時候，帽子飛到了空中，原來這是妙妙幻化出來的幻術。
此時，真正的瘋帽子出現在紅皇后身後，告訴紅皇后，其實周圍的人都是在騙她，故意把自己裝飾成奇形的怪狀，以此吸引紅皇后。
利用她的同情心，瘋帽子號召大家一起反抗紅皇后，得到了眾多人的響應。紅皇后從小最恨的就是謊言，於是下令要將這裡的所有人都殺掉，放出了吃人的大鳥，整個刑場頓時亂作一團。瘋帽子趁亂救出了黑狗的家人，帶著大家逃到了白皇后的城堡，決戰日越來越近。根據神諭捲軸的記載，只有愛麗絲能打敗惡龍，可愛麗絲還是沒有勇氣去斬殺。
就在繭蛹子即將結繭時，和愛麗絲交流了一番，愛麗絲意識到了自己的使命，手持神劍也上了戰場。決戰前，白王后想求和，但是因為小時候的那件事情，紅皇后拒絕了求和的請求，雙方各自派出代表應戰。紅皇后派出惡龍，而白皇后派出了愛麗絲。
儘管愛麗絲身材矮小，但是面對惡龍的時候一往無前，無所畏懼，最終砍下了惡龍的腦袋。看到惡龍被打敗後，紅皇后的手下紛紛繳械投降。紅皇后頭頂的皇冠漸漸升起，變成了雪白的顏色，落在了白皇后的頭頂，白皇后不忍殺死自己的姐姐。將紅皇后發配到了荒涼的外域。
完成使命後的愛麗絲在和瘋帽子還有大家分別後回到了現實世界，此時的她已有了足夠的勇氣，對眼前這個求婚的男人說不，因為她要去尋找屬於她自己的人生。