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  電影裡沒有提及馬蒂和博士認識的經過,據第一集劇本的草稿記述,1983年,博士在馬蒂的車庫出現,請馬蒂清潔博士的車庫,每週的酬勞是50元美金,並免費啤酒和他的唱片收藏,但這解說不為大部分影迷接受。  2015年,馬蒂已和珍妮花結婚,並育有一對孿生子女:馬蒂·麥佛萊二世和瑪蓮·麥佛萊,於1998年4月28日出生。

  他的好友博士向他展示他的新發明—時光車,碰巧利比亞恐怖份子前來追討博士偷的鈽元素,馬蒂為躲避追殺,跳上時光車逃跑,意外地回到1955年。  他偶遇年輕時的父親佐治,干預了原本佐治和母親羅蘭相遇的歷史,令羅蘭轉而愛上了自己。他去找當時的博士,向他解釋他是來自未來的,博士原本不相信他,直至他道出博士頭部受傷的經過,博士才相信他。博士問他曾遇上什麼人,馬蒂驚見他的哥哥從他和兄姊的合照中逐漸消失,博士恍然若馬蒂再不修正歷史的話,他和姐姐也會接續消失。  馬蒂去他的父母就讀的中學,介紹羅蘭給佐治認識,但她眼中只有馬蒂,沒有理會佐治。博士驚悉羅蘭喜歡的人不是佐治,而是馬蒂。  馬蒂不停纏繞佐治,說服他帶羅蘭去學校舞會。馬蒂想到「英雄救美」之策,自己要假裝佔羅蘭便宜,然後佐治救她,讓羅蘭愛上佐治。但過程中被畢夫介入,馬蒂被困在吉他手的車尾箱內,吉他手替馬蒂解困時不慎割傷了手指,不能演奏。馬蒂眼見照片裡的兄姊逐漸消失,自薦當吉他手,讓舞會能順利進行。  舞會中,羅蘭被另一名男生搶去,臺上的馬蒂無法繼續演奏,他看見照片裡的自己正在消失,只能希望佐治會救羅蘭。幸好佐治最後救回羅蘭,並相吻,馬蒂才能避免消失,馬蒂爭取在舞臺上表演的機會,以喜愛的歌曲「Johnny B. Goode」作終結。  馬蒂趕去鐘樓和博士合作,利用閃電助時光車穿越時空,馬蒂終於回到了1985年。  馬蒂醒來後,發現他的父親由懦弱的小上班族成為一位成功的作家,原本在快餐店打工的哥哥變成成功人士,而保守的母親則變得開放,接受了珍妮花。正當馬蒂又驚又喜之時,博士突然出現,說馬蒂未來的小孩出了問題,要馬蒂帶同珍妮花去2015年挽救。

  馬蒂、珍妮花和博士去了2015年。馬蒂的兒子(小馬蒂)被畢夫的孫子葛夫慫恿,與葛夫黨進行偷竊,小馬蒂婉拒不果,只好跟他們一起進行偷竊,最後小馬蒂被捕及判監15年,瑪蓮麥佛萊劫獄,結果被判監20年,馬蒂來2015年的目的就是阻止這一連串事件發生。馬蒂假扮小馬蒂拒絕葛夫,經過一番爭鬥後,葛夫黨被捕,小馬蒂得以避免判監的命運,但兩個馬蒂的出現引起了畢夫的注意。馬蒂買了一本記錄由1950年至2000年中所有體育賽事結果的年鑑,打算回到1985年後以助下賭注,博士斥責一番後把年鑑扔進了垃圾桶,被畢夫撿起。  昏睡了的珍妮花被警察送去未來的馬蒂家,為免珍妮花碰上未來的自己,馬蒂和博士又去了馬蒂家,但最終珍妮花還是碰上了自己而驚訝至暈倒。未來的馬蒂因為30年前的車禍受傷而無法再彈吉他,不能成為搖滾歌星,成為小上班族,又因無法忍受被看扁,違規致被解僱,未來的馬蒂看著自己一直喜愛的吉他,很是沮喪。另一邊廂,馬蒂和博士及時帶走珍妮花,回到1985年。  馬蒂回到1985年後,發現所有事都改變了,山谷市成了無法無天的賭場地獄,整個市鎮由畢夫管制,馬蒂的父親甚至在1973年被畢夫暗殺,馬蒂的母親成為畢夫的妻子,終日酗酒。馬蒂發現原來2015年的老畢夫奪了年鑑並偷了時光機,回到1955年把年鑑給了當時的自己,畢夫以年鑑下賭注成為富翁。馬蒂冒險問畢夫有關年鑑的事,被畢夫追殺,幸好博士及時來到,救了馬蒂後再度回到1955年。  馬蒂的打扮不能太引人注目,一方面避免碰上自己,另一方面較易從畢夫手上奪回年鑑。馬蒂一直留在畢夫的車上,等待機會奪回年鑑。馬蒂追蹤至學校,多次幾乎碰上自己,年鑑又被混亂,困難重重。馬蒂剛奪回年鑑,被畢夫黨發現,他們追尋至舞會,看見在舞臺上演奏的另一個馬蒂,打算等另一個馬蒂演奏完畢後揍他一頓。馬蒂為免另一個馬蒂被擾,要令畢夫黨無法襲擊馬蒂,但又不能讓另一個馬蒂碰上自己。經過一番努力後,終於成功。馬蒂在校門外看另一個自己和羅蘭道別的情景,卻因此給畢夫發現,馬蒂惹上麻煩,被畢夫發現他偷取了年鑑。馬蒂告訴博士,他們追蹤畢夫至隧道,馬蒂快要奪回年鑑時被畢夫發現,一場飆車追逐後,馬蒂成功奪回年鑑,又被畢夫追討,最後博士來拯救了馬蒂。  馬蒂燒燬了年鑑,看見他的父親被謀殺的新聞變了,他們正準備回到未來時,閃電擊中了時光車,博士被送去1885年。博士離開後不久,一名郵差送來一封來自70年前的信,馬蒂去找1955年的博士,博士受驚過度暈倒。

  馬蒂把暈倒了的博士帶回博士家。醒來的博士對昨晚的事印象模糊,但記得馬蒂回到未來後,看見另一個馬蒂自稱從未來回到1955年。馬蒂醒來,博士被嚇到不知所措,馬蒂遂給博士看未來的博士於1885年寫的信。博士助馬蒂修理時光車,馬蒂回到1885年。  到達1885年,馬蒂被一群印第安人追殺,馬蒂把時光車駛進洞穴。他正準備離開時,被熊追趕,馬蒂不顧一切地逃跑,結果滾下山崖,被他的祖先西密斯·麥佛萊救起。馬蒂醒來時,發現自己身在麥佛萊農場。馬蒂撒謊自稱名叫「克林·伊斯威特」。西密斯熱情款待馬蒂,西密斯的妻子看不過眼,她認為他不應對陌生人太好,但西密斯覺得自己應幫助馬蒂,感到馬蒂好像是跟自己有血緣關係。  馬蒂去了山谷市找博士,卻遇上同樣正在尋找博士的布福·譚能,馬蒂不小心得罪了布福,被布福追殺,幸博士及時來到,馬蒂才免被勒死。馬蒂告訴博士他將被射殺,墳墓上刻有「克萊拉•克萊頓」,馬蒂堅信這是博士的女朋友。市長來到,託博士去迎接新來的女教師克萊拉·克萊頓,博士大感驚訝,馬蒂更是得意,他想起珍妮花便擔心起來。馬蒂和博士修理時光車,油箱破了,令時光車不能行駛至所需速度。馬蒂和博士嘗試了不同方法推動時光車,在實地考察鐵路時,博士救了克萊拉,兩人一見鍾情。馬蒂和博士送克萊拉回家,博士久久仍未肯離開,馬蒂開始擔心克萊拉會影響博士,向博士暗示克萊拉對博士有意。  克萊拉找尋博士,並邀請博士去山谷市慶祝晚會,馬蒂擔心博士會答應,示意他拒絕,豈料博士一口答應,馬蒂也無可奈何。晚會上,馬蒂去看射擊遊戲,博士找到克萊拉,與她共舞。馬蒂試玩射擊遊戲,百發百中,推銷員很驚訝。馬蒂重遇他的祖先西密斯和瑪吉。馬蒂看見博士和布福又有麻煩,即出手救博士,布福看見是馬蒂,更是惱怒,馬蒂打算離開,被布福叫作「膽小鬼」,馬蒂忍受不了被看扁,答應布福的要求,星期一早上與布福一決勝負。博士責怪馬蒂胡亂答應布福,其他人卻很支援馬蒂,還送了一把槍給他。西密斯勸告馬蒂要顧念自己的將來,想起已逝去的弟弟馬丁,馬丁因為無法忍受被看扁,最後被殺。馬蒂開始反思。  回到未來的前一天,馬蒂得知博士和克萊拉已墮入愛河,擔心克萊拉會影響博士作回到未來的決定。博士看見馬蒂帶著槍想起2015年的馬蒂,勸馬蒂不要因一時意氣而做錯決定,馬蒂對他的未來緊張起來。  星期一早上,馬蒂尋找博士,豈料博士喝醉了,馬蒂嘗試弄醒博士,但都不成功。布福提早來到,馬蒂更焦急。博士終於清醒,馬蒂想逃跑,被布福發現,挾持了博士。馬蒂找到一塊鐵板,以此護身。布福開槍射中馬蒂,馬蒂應聲倒地。西密斯大感失望離開,布福以為馬蒂已死,怎料馬蒂突然起來,布福一拳打向馬蒂,發現馬蒂以鐵板護身,根本沒有被射中。西密斯回來,馬蒂打敗布福。馬蒂把槍送給西密斯後與博士前去截停火車。博士用火車推動時光車,博士去跟馬蒂會合,發現克萊拉在火車上,博士接克萊拉以致錯過了回到未來的機會,馬蒂成功回到1985年。  馬蒂回到1985年,一輛火車正駛向著時光車,馬蒂及時逃出,時光車卻被撞毀,馬蒂慨嘆時光車被毀正如博士所願。馬蒂前去看珍妮花,她向馬蒂訴說自己做了一個關於未來的噩夢,馬蒂不慎說出事實。尼度來找馬蒂麻煩,要和馬蒂賽車,馬蒂想起博士的話,沒有和尼度賽車,馬蒂看見尼度差點撞車,慶幸自己沒有意氣用事。馬蒂和珍妮花去了時光車被撞毀的地方懷念博士,一輛蒸汽火車突然出現,原來是博士的時光火車,馬蒂大感驚喜。

  馬蒂在回到未來系列中借用了許多名人和電影角色的名字,包括第一集的Calvin Klein(1955年)、第三集的Clint Eastwood(1885年)、遊戲系列的Michael Corleone、Harry Callahan和Sonny Crockett(1931年)

  馬蒂在第一集裡曾到過1955年,回到1985年後,原本潦倒的父親成為成功作家,家境亦好多了。第二集裡,他曾到訪2015年、被畢夫改變的1985年、和重遊1955年。第三集,他到訪了老西部年代的1885年,最後回到正常的1985年。遊戲系列中,他大部分時間都留在1931年,也到過畢夫黨欺霸的1985年和被艾德娜·史崔克蘭統治的1985年,更去了比第三集還遠的1876年。
馬蒂·麥佛萊是回到未來系列的主角,由邁克爾·J·福克斯飾演,動畫系列中由David Kaufman配音,遊戲系列裡由A.J. Locascio配音。在2008年,馬蒂·麥佛萊被帝國雜誌選為最佳電影角色之一,排名第39。