Burton renoue ensuite avec Disney pour réaliser une nouvelle adaptation d"'Alice au pays des merveilles". Dans ce film, qui est en fait la suite du livre de Lewis Carroll, Alice a et est interprétée par Mia Wasikowska. Johnny Depp incarne le Chapelier fou et Helena Bonham Carter la Reine Rouge. Même si le réalisateur est habituellement attaché aux techniques de tournage plus traditionnelles, le film a recours à de nombreux effets numériques, est presque entièrement tourné sur fond vert et est converti en 3D. Sorti aux États-Unis au mois de , le film, malgré des critiques très mitigées, totalise plus de lors de son week-end d'ouverture. Au total, il rapporte plus d'un milliard de dollars dans le monde, et réalise en France. C'est, en 2012, le plus gros succès de Burton et le le plus lucratif de l'histoire. Peu après la sortie du film, le cinéaste préside le jury du Festival de Cannes qui attribue la Palme d'or à "Oncle Boonmee" du Thaïlandais Apichatpong Weerasethakul.