Na madrugada do dia 25 de outubro de 1985, Marty encontra seu amigo, o cientista Dr. Emmett Brown, no Twin Pines Mall às 1:15 a pedido do Doutor. Lá, ele revela ao rapaz um DeLorean DMC-12 modificado para tornar-se uma máquina do tempo; o deslocamento temporal do veículo é alimentado por uma fissão nuclear e utiliza plutônio como combustível, o que gera 1,21 Gigawatt de eletricidade necessário para o funcionamento do aparato que torna a viagem temporal possível, o "Capacitor de Fluxo". O Doutor explica que o carro viaja para uma data programada ao atingir 88 milhas por hora de velocidade. Entretanto, antes que ele pudesse realizar sua primeira viagem, terroristas líbios - dos quais o Doutor recebera o plutônio para a produção de uma bomba e que ele enganara para poder utilizar o material em sua experiência - aparecem e o baleiam mortalmente. Indefeso, Marty tenta escapar no DeLorean, porém, durante a fuga, acaba alcançando a velocidade de 88 milhas por hora e é transportado para 5 de novembro de 1955, uma data que o Doutor havia programado nos instrumentos de navegação do DeLorean como um exemplo. Marty agora encontra-se sem o plutônio necessário para a viagem de volta e o carro desliga-se, deixando-o preso em 1955.
Ao explorar a Hill Valley daquela década, Marty acidentalmente encontra seu pai, George, como um adolescente que é intimidado por Biff. Quando George está prestes a ser atropelado pelo carro do pai de Lorraine, Marty o empurra salvando-o e recebendo o impacto em seu lugar. Como resultado, a jovem Lorraine fica apaixonada por ele e não por George. Marty fica perturbado pelos flertes dela e parte da residência dos Baines para encontrar o jovem Doutor Brown de 1955. O rapaz eventualmente convence o incrédulo Emmet de que ele é realmente um viajante do tempo e pede sua ajuda para voltar a 1985. O Doutor explica que a única fonte de energia capaz de gerar 1,21 Gigawatts é um raio. Marty então mostra a ele um panfleto que ele havia recebido no dia anterior na praça do relógio da Torre sobre um raio que havia atingido a Torre do Relógio da cidade, desativando-o desde então. O panfleto indicava que um raio iria atingir o relógio da corte judicial de Hill Valey no sábado seguinte às 22h04min. Com esta informação, o Doutor cria um plano para fazer a energia do raio ser direcionada para o Capacitor de Fluxo do DeLorean. Todavia, os dois observam uma complicação ao ver a imagem dos irmãos de Marty desaparecendo em uma foto: Marty impediu que seus pais se encontrassem e comprometeu a existência dele e de sua família.
O Doutor deixa Marty em sua casa e vai para o futuro. Marty acorda na manhã seguinte para descobrir que sua família melhorou significativamente e está mais feliz. Lorraine está bem fisicamente, George se tornou auto-confiante e um autor de ficção científica de sucesso, Dave é agora um empresário e Linda não têm mais problemas em encontrar namorados. Mais notavelmente, George e Lorraine tem uma relação íntima que eles nunca tiveram, enquanto Biff se tornou um frentista de um posto de gasolina, além de agora ser submisso a George. No momento que Marty reencontra Jennifer, o Doutor aparece, insistindo para que eles o acompanhem no futuro para resolver um problema com seus filhos. Com o Doutor no volante, Marty e Jennifer entram no melhorado DeLorean, agora um carro voador, e vão para o futuro.