Алиса, скучающая на берегу реки со своей сестрой, видит спешащего Белого Кролика, держащего в лапке карманные часы[К 1]. Она следует за ним в кроличью нору, падает в неё и оказывается в зале со множеством запертых дверей. Там она находит ключ от маленькой 15-дюймовой двери, за которой виден сад, в который девочка хочет попасть; однако дверь для неё слишком мала.

Алиса обнаруживает различные предметы, которые увеличивают и уменьшают её рост. Поплакав, она замечает Кролика, который роняет веер и перчатки. Подобрав веер и обмахиваясь им, Алиса уменьшается в размере и попадает в море собственных слёз. Алиса встречает мышь и различных птиц, слушает рассказ о Вильгельме Завоевателе и для того, чтобы просохнуть, играет в «Бег по кругу». Кролик просит Алису найти его вещи и посылает её в свой дом. Оставив там перчатки, Алиса выпивает странную жидкость из пузырька и вновь вырастает, едва помещаясь в жилище Кролика.

Последний, пытаясь выяснить, что происходит, посылает через дымовую трубу ящерку Билля, однако Алиса выталкивает его ногой обратно. Камешки, которыми в неё кидают, превращаются в пирожки; съев их, главная героиня вновь уменьшается и убегает из дома. В поисках сада, виденного ею через дверцу, она встречает Гусеницу. Та советует ей держать себя в руках и для того, чтобы обрести свой нормальный рост, откусить кусочек гриба.

Алиса следует её совету, но с ней начинают происходить различные метаморфозы: у неё то пропадают плечи, то вытягивается шея. Наконец она уменьшается до 9 дюймов и видит дом. Побеседовав с Лягушонком и войдя в здание, на кухне Алиса обнаруживает Чеширского Кота, Кухарку и Герцогиню, качающую младенца. Забрав ребёнка, девочка уходит из дома, а Герцогиня сообщает, что собирается идти на крокет. Однако младенец превращается в поросёнка, и Алисе приходится его отпустить.

На ветке дерева появляется Чеширский Кот. Сказав, что поблизости живут Болванщик и Мартовский Заяц, он исчезает. Алиса попадает на Безумное чаепитие, где пытается разгадать загадки, слушает размышления Болванщика о времени и сказку Сони о трёх сестричках. Обидевшись на грубость хозяев, Алиса уходит.

Войдя в дверь в одном из деревьев, главная героиня вновь попадает в зал и наконец-то проходит в сад. В нём она встречает Карточных стражей, которые по ошибке посадили белые розы вместо красных и перекрашивали их в нужный цвет. Через некоторое время к ним приближается процессия во главе с Червонными Королём и Королевой. Узнав о провинности солдат, Королева приказывает отрубить им головы, но Алиса незаметно прячет приговорённых в цветочный горшок. От Кролика Алиса узнаёт, что Герцогиня приговорена к смертной казни.

Все пришедшие начинают играть в крокет, используя фламинго в качестве клюшек, ежей вместо мячей. Королева пытается отрубить голову и Чеширскому Коту, однако реализовать это намерение ей не удаётся — у кота в наличии только голова, которая постепенно тает. Поговорив с Герцогиней о морали, Алиса вместе с Королевой отправляется к Черепахе Квази и Грифону. Черепаха рассказывает о своём прошлом, когда она была настоящей черепахой, поёт песни и танцует. Затем главная героиня вместе с Грифоном торопятся на суд.

Там судят Валета Червей, который украл семь тарталеток у Королевы, а председательствует сам Червонный Король. Первым свидетелем выступает Болванщик, который рассказывает о том, как он готовил бутерброд. Вторая свидетельница — Кухарка, сообщившая суду о том, что тарталетки делают из перца. Последней свидетельницей вызывают саму Алису, которая внезапно начинает расти. Королева хочет отрубить голову и Алисе, требуя, чтобы присяжные вынесли приговор вне зависимости от виновности подсудимого. Девочка увеличивается до своего обычного роста; все карты поднимаются в воздух и летят ей в лицо.

Алиса просыпается и обнаруживает, что лежит на берегу, а сестра смахивает с неё сухие листья. Главная героиня сообщает сестре, что видела странный сон, и бежит домой. Её сестра, которая тоже задремала, вновь видит Страну Чудес и её обитателей. Она представляет, как Алиса вырастает и рассказывает детям о своих горестях, радостях и счастливых летних днях.