Liisa asuu kotonaan rakkaan isän, äidin ja veljen kanssa, mutta isä kuolee yllättäen sairaskohtaukseen. Kahdeksan vuotta myöhemmin valmistaudutaan Liisan kihlajaisjuhliin. Liisa ei kuitenkaan haluaisi kihloihin. Hän näkee maalauksessa Valkoisen Kanin ja seuraa Kania maalaukseen, joka alkaa pyöriä. Koko huone muuttuu tunneliksi, joka on kuin pohjaton kaivo. Matkalla Liisa kohtaa outoja asioita, jotka myös viehättävät häntä. Hän muuttuu suuremmaksi – vai pienenevätkö hänen ympärillään olevat esineet?
Liisan kyyneleistä kasvaa suuri lampi. Kyynelten lampeen joutuneet otukset yrittävät saada itsensä kuivaksi sekapäisen kilpajuoksun avulla. Liisa yrittää tehdä järjettömään juoksuun säännöt, mutta epäonnistuu. Liisa lähtee taas seuraamaan Valkoista Kania, mutta kohtaa kaksoset Tittelitomin ja Tittelityyn. Liisa kysyy heiltä miten hän löytäisi Valkoisen Kanin sekä tien Kuningattaren puutarhaan.
Liisa saapuu Herttuattaren talolle, missä hän joutuu kohtaamaan vihaa ja väheksyntää. Herttuatar saa Herttakuningattarelta kutsun krokettipeliin, heittää vauvan Liisan syliin ja kiirehtii valmistautumaan peliin. Liisa huolehtii vauvasta, mutta tajuaakin että se on possu. Liisa kohtaa lumoavan Yökorennon ystävineen. Hän pyytää tältä neuvoa kuinka tulla kauniiksi aikuiseksi naiseksi.
—
Valkoinen Ritari ajaa takaa Punaista Lohikäärmettä, mutta jää alakynteen. Liisa haluaa auttaa häntä. Ritari tuntee suurta kiitollisuutta Liisaa kohtaan.
Liisa saapuu valtavan pöydän luo, jolle on katettu teetarjoilu. Paikalla ovat Hatuntekijä, Maalisjänis ja Murmeli, joiden mukaan pöydässä ei ole tilaa Liisalle. Valkoinen Kani aiheuttaa lisää hämmennystä. Kello on pahoittanut mielensä ja pysähtynyt kuuteen iltapäivällä, mikä tarkoittaa sitä, että teekutsut jatkuvat ikuisesti.
Liisa saapuu niitylle ja näkee häivähdyksen Herttakuningatarta pakoon juoksevasta veljestään. Hän lähtee seuraamaan Herttakuningatarta ja tämän joukkoja.
Herttakuningattaren puutarhassa pelikorttipuutarhurit maalaavat vahingossa istuttamiaan valkoisia ruusuja punaisiksi, ennen kuin Herttakuningatar saisi tietää. Herttakuningatar saapuu paikalle ja määrää puutarhurit teloitettaviksi. Kuningatar haastaa Liisan kummalliseen krokettipeliin, mutta suuttuu pelin kulkuun ja määrää kaikki teloitettaviksi. Kuningatar haluaa teloituttaa myös Viirukissan, mutta ei pääse yksimielisyyteen Kuninkaan kanssa. Liisa ehdottaa kysymään neuvoa Herttuattarelta, Viirukissan omistajalta. Herttuattaren saapuessa Viirukissa on kuitenkin kadonnut.
Kuningatar on vangituttanut Herttasotilaan, joka on Liisan veli, ja oikeudenkäynti alkaa. Herttasotilasta syytetään Kuningattaren leipomien kakkujen varastamisesta. Todistajina olevat Hatuntekijä ja Kokki aiheuttavat kaaoksen, jonka turvin Liisa ja Herttasotilas pakenevat.
Liisa ja Valkoinen Ritari taistelevat yhdessä Kuningattaren Pelikortteja ja Punaista Lohikäärmettä vastaan ja voittavat.
Valkoinen Ritari auttaa Liisaa nousemaan portaat ulos Ihmemaasta. Liisa on kasvanut ja kehittynyt ihmisenä, ja kokemukset Ihmemaassa ovat valmistaneet häntä kohtaamaan maailman omassa kodissaan eli siellä, mistä koko seikkailu alkoi.
Juoni kokonaisuudessaan ja muuta taustatietoa luettavissa teoksen käsiohjelmasta.
