Алиса, скучающая на берегу реки со своей сестрой, вдруг видит спешащего Белого Кролика, держащего в лапке карманные часы[К 1]. Она следует за ним в кроличью нору, падает в неё и попадает в зал с множеством запертых дверей. Там она находит ключ от маленькой 15-дюймовой двери, за которой виден сад, но не может попасть в него по причине своего роста.
Алиса обнаруживает различные предметы, которые увеличивают и уменьшают её рост. Поплакав, она замечает Кролика, который обронил веер и перчатки. Помахав веером, она уменьшается и попадает в море собственных слёз. Алиса встречает мышь и различных птиц, слушает рассказ о Вильгельме Завоевателе и для того, чтобы высохнуть, 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 его приходится отпустить.
На ветке дерева появляется Чеширский Кот. Сказав, что рядом 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, где в качестве клюшек выступают фламинго, а вместо мячей — ежи. Королева пытается отрубить голову и Чеширскому Коту, однако реализовать этот план не удалось — 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 в этот самый момент внезапно опять стала расти. Королева требует отрубить голову и Алисе, а присяжным выносить приговор вне зависимости от виновности подсудимого. Девочка увеличивается до своего обычного роста, и тут 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 ей приснился 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