1985 में, किशोर मार्टी मैकफली अपनी उदास शराबी माँ, लोरेन के साथ, हिल वैली, कैलिफ़ोर्निया में रहता है; उनके बड़े भाई-बहन, जो पेशेवर और सामाजिक रूप से असफल हैं; और उसके नम्र पिता, जॉर्ज, जिसे उसके पर्यवेक्षक, बिफ़ टैनेन द्वारा धमकाया जाता है। मार्टी के बैंड के संगीत ऑडिशन में असफल होने के बाद, वह अपनी प्रेमिका जेनिफर पार्कर को बताता है कि अपनी महत्वाकांक्षाओं के बावजूद उसे अपने माता-पिता की तरह बनने का डर है।

उस रात, मार्टी ट्विन पाइंस मॉल की पार्किंग में अपने विलक्षण वैज्ञानिक मित्र, एम्मेट "डॉक्टर" ब्राउन से मिलता है। डॉक ने संशोधित डेलोरियन से निर्मित एक टाइम मशीन का अनावरण किया, जो लीबियाई आतंकवादियों से लूटे गए प्लूटोनियम से संचालित होती है। डॉक्टर द्वारा 5 नवंबर 1955 (जिस दिन उन्होंने पहली बार अपने समय यात्रा आविष्कार की कल्पना की थी) का गंतव्य समय बताने के बाद, आतंकवादी अप्रत्याशित रूप से पहुंचते हैं और उन्हें गोलियों से भून देते हैं। जब मार्टी 88 मील प्रति घंटे (142 किलोमीटर प्रति घंटे) तक पहुँच जाता है, तो अनजाने में समय यात्रा को सक्रिय करते हुए डेलोरियन में भाग जाता है।

1955 में पहुंचने पर, मार्टी को पता चला कि उसके पास वापस लौटने के लिए कोई प्लूटोनियम नहीं है। उभरती हुई हिल वैली की खोज के दौरान, मार्टी का सामना अपने किशोर पिता से होता है और उसे पता चलता है कि बिफ़ तब भी जॉर्ज को धमका रहा था। कपड़े बदल रही किशोरी लोरेन की जासूसी करते समय जॉर्ज सामने से आ रही कार के रास्ते में गिर जाता है और मार्टी उसे बचाते समय बेहोश हो जाता है। वह जागता है और पाता है कि लोरेन उसकी देखभाल कर रही है, जो उस पर मोहित हो जाती है। मार्टी एक युवा डॉक्टर का पता लगाता है और उसे विश्वास दिलाता है कि वह भविष्य से है, लेकिन डॉक्टर बताते हैं कि 1955 में उपलब्ध एकमात्र स्रोत जो समय यात्रा के लिए आवश्यक बिजली पैदा करने में सक्षम था, वह बिजली का बोल्ट है। मार्टी डॉक्टर को भविष्य का एक फ़्लायर दिखाता है जो शहर के न्यायालय में आगामी बिजली गिरने का दस्तावेजीकरण करता है। जैसे ही मार्टी के भाई-बहन उसके साथ ले जाई गई तस्वीर से फीके पड़ने लगते हैं, डॉक्टर को एहसास होता है कि मार्टी की हरकतें भविष्य को बदल रही हैं और उसके अस्तित्व को खतरे में डाल रही हैं; कार दुर्घटना के बाद लोरेन को मार्टी की बजाय जॉर्ज की देखभाल करनी थी। उसके माता-पिता को परिचित कराने के शुरुआती प्रयास विफल हो गए, और लोरेन का मार्टी के प्रति आकर्षण गहरा हो गया।

लोरेन मार्टी को स्कूल नृत्य के लिए कहता है, और वह उस पर अनुचित प्रगति का दिखावा करने की साजिश रचता है, जिससे जॉर्ज को हस्तक्षेप करने और उसे बचाने की अनुमति मिलती है, लेकिन योजना तब गड़बड़ा जाती है जब बिफ का गिरोह मार्टी को प्रदर्शन करने वाले बैंड की कार की डिक्की में बंद कर देता है, जबकि बिफ खुद को मजबूर कर देता है। लोरेन. जॉर्ज मार्टी को ढूंढने की उम्मीद में आता है लेकिन बिफ द्वारा उस पर हमला किया जाता है। बिफ़ द्वारा लोरेन को चोट पहुँचाने के बाद, क्रोधित जॉर्ज उसे बेहोश कर देता है और आभारी लोरेन को नृत्य के लिए ले जाता है। बैंड ने मार्टी को उनकी कार से मुक्त कर दिया, लेकिन मुख्य गिटारवादक इस प्रक्रिया में अपना हाथ घायल कर लेता है, इसलिए मार्टी उसकी जगह लेता है, प्रदर्शन करता है जबकि जॉर्ज और लोरेन अपना पहला चुंबन साझा करते हैं। चूँकि उसका भविष्य अब खतरे में नहीं है, मार्टी डॉक्टर से मिलने के लिए कोर्टहाउस जाता है।

डॉक्टर को मार्टी का एक पत्र मिलता है जिसमें उसे उसके भविष्य के बारे में चेतावनी दी गई है और वह परिणामों के बारे में चिंतित होकर उसे फाड़ देता है। डॉक को बचाने के लिए, मार्टी भविष्य छोड़ने से दस मिनट पहले वापस लौटने के लिए डेलोरियन को पुन: कैलिब्रेट करता है। बिजली गिरती है, जिससे मार्टी 1985 में वापस चला जाता है, लेकिन डेलोरियन टूट जाता है, जिससे मार्टी को वापस मॉल में भागना पड़ता है। वह तब आता है जब डॉक्टर को गोली मारी जा रही होती है। जबकि मार्टी अपनी ओर से शोक मना रहा है, डॉक्टर उठ कर बैठ जाता है और खुलासा करता है कि उसने मार्टी के नोट को वापस जोड़ दिया और बुलेटप्रूफ बनियान पहन ली। वह मार्टी को घर ले जाता है और 2015 में डेलोरियन चला जाता है। मार्टी अगली सुबह उठता है और पाता है कि उसके पिता अब एक आत्मविश्वासी और सफल विज्ञान कथा लेखक हैं, उसकी माँ फिट और खुश है, उसके भाई-बहन सफल हैं, और बिफ जॉर्ज की नौकरी में एक नौकर है। जैसे ही मार्टी जेनिफर के साथ फिर से जुड़ता है, डॉक्टर अचानक डेलोरियन में फिर से प्रकट होता है, और आग्रह करता है कि वे अपने बच्चों को भयानक भाग्य से बचाने के लिए भविष्य में उसके साथ लौटें।
जब वह अपने पिता को सामने से आ रही कार के रास्ते में गिर गया तो वह उसे रास्ते से हटा नहीं सका।
1985 में, किशोर मार्टी मैकफली अपनी उदास शराबी माँ, लोरेन के साथ, हिल वैली, कैलिफ़ोर्निया में रहता है; उनके बड़े भाई-बहन, जो पेशेवर और सामाजिक रूप से असफल हैं; और उसके नम्र पिता, जॉर्ज, जिसे उसके पर्यवेक्षक, बिफ़ टैनेन द्वारा धमकाया जाता है। मार्टी के बैंड के संगीत ऑडिशन में असफल होने के बाद, वह अपनी प्रेमिका जेनिफर पार्कर को बताता है कि अपनी महत्वाकांक्षाओं के बावजूद उसे अपने माता-पिता की तरह बनने का डर है।

उस रात, मार्टी ट्विन पाइंस मॉल की पार्किंग में अपने विलक्षण वैज्ञानिक मित्र, एम्मेट "डॉक्टर" ब्राउन से मिलता है। डॉक ने संशोधित डेलोरियन से निर्मित एक टाइम मशीन का अनावरण किया, जो लीबियाई आतंकवादियों से लूटे गए प्लूटोनियम से संचालित होती है। डॉक्टर द्वारा 5 नवंबर 1955 (जिस दिन उन्होंने पहली बार अपने समय यात्रा आविष्कार की कल्पना की थी) का गंतव्य समय बताने के बाद, आतंकवादी अप्रत्याशित रूप से पहुंचते हैं और उन्हें गोलियों से भून देते हैं। जब मार्टी 88 मील प्रति घंटे (142 किलोमीटर प्रति घंटे) तक पहुँच जाता है, तो अनजाने में समय यात्रा को सक्रिय करते हुए डेलोरियन में भाग जाता है।

1955 में पहुंचने पर, मार्टी को पता चला कि उसके पास वापस लौटने के लिए कोई प्लूटोनियम नहीं है। उभरती हुई हिल वैली की खोज के दौरान, मार्टी का सामना अपने किशोर पिता से होता है और उसे पता चलता है कि बिफ़ तब भी जॉर्ज को धमका रहा था। कपड़े बदल रही किशोरी लोरेन की जासूसी करते समय जॉर्ज सामने से आ रही कार के रास्ते में गिर जाता है और मार्टी उसे बचाते समय बेहोश हो जाता है। वह जागता है और पाता है कि लोरेन उसकी देखभाल कर रही है, जो उस पर मोहित हो जाती है। मार्टी एक युवा डॉक्टर का पता लगाता है और उसे विश्वास दिलाता है कि वह भविष्य से है, लेकिन डॉक्टर बताते हैं कि 1955 में उपलब्ध एकमात्र स्रोत जो समय यात्रा के लिए आवश्यक बिजली पैदा करने में सक्षम था, वह बिजली का बोल्ट है। मार्टी डॉक्टर को भविष्य का एक फ़्लायर दिखाता है जो शहर के न्यायालय में आगामी बिजली गिरने का दस्तावेजीकरण करता है। जैसे ही मार्टी के भाई-बहन उसके साथ ले जाई गई तस्वीर से फीके पड़ने लगते हैं, डॉक्टर को एहसास होता है कि मार्टी की हरकतें भविष्य को बदल रही हैं और उसके अस्तित्व को खतरे में डाल रही हैं; कार दुर्घटना के बाद लोरेन को मार्टी की बजाय जॉर्ज की देखभाल करनी थी। उसके माता-पिता को परिचित कराने के शुरुआती प्रयास विफल हो गए, और लोरेन का मार्टी के प्रति आकर्षण गहरा हो गया।

लोरेन मार्टी को स्कूल नृत्य के लिए कहता है, और वह उस पर अनुचित प्रगति का दिखावा करने की साजिश रचता है, जिससे जॉर्ज को हस्तक्षेप करने और उसे बचाने की अनुमति मिलती है, लेकिन योजना तब गड़बड़ा जाती है जब बिफ का गिरोह मार्टी को प्रदर्शन करने वाले बैंड की कार की डिक्की में बंद कर देता है, जबकि बिफ खुद को मजबूर कर देता है। लोरेन. जॉर्ज मार्टी को ढूंढने की उम्मीद में आता है लेकिन बिफ द्वारा उस पर हमला किया जाता है। बिफ़ द्वारा लोरेन को चोट पहुँचाने के बाद, क्रोधित जॉर्ज उसे बेहोश कर देता है और आभारी लोरेन को नृत्य के लिए ले जाता है। बैंड ने मार्टी को उनकी कार से मुक्त कर दिया, लेकिन मुख्य गिटारवादक इस प्रक्रिया में अपना हाथ घायल कर लेता है, इसलिए मार्टी उसकी जगह लेता है, प्रदर्शन करता है जबकि जॉर्ज और लोरेन अपना पहला चुंबन साझा करते हैं। चूँकि उसका भविष्य अब खतरे में नहीं है, मार्टी डॉक्टर से मिलने के लिए कोर्टहाउस जाता है।

डॉक्टर को मार्टी का एक पत्र मिलता है जिसमें उसे उसके भविष्य के बारे में चेतावनी दी गई है और वह परिणामों के बारे में चिंतित होकर उसे फाड़ देता है। डॉक को बचाने के लिए, मार्टी भविष्य छोड़ने से दस मिनट पहले वापस लौटने के लिए डेलोरियन को पुन: कैलिब्रेट करता है। बिजली गिरती है, जिससे मार्टी 1985 में वापस चला जाता है, लेकिन डेलोरियन टूट जाता है, जिससे मार्टी को वापस मॉल में भागना पड़ता है। वह तब आता है जब डॉक्टर को गोली मारी जा रही होती है। जबकि मार्टी अपनी ओर से शोक मना रहा है, डॉक्टर उठ कर बैठ जाता है और खुलासा करता है कि उसने मार्टी के नोट को वापस जोड़ दिया और बुलेटप्रूफ बनियान पहन ली। वह मार्टी को घर ले जाता है और 2015 में डेलोरियन चला जाता है। मार्टी अगली सुबह उठता है और पाता है कि उसके पिता अब एक आत्मविश्वासी और सफल विज्ञान कथा लेखक हैं, उसकी माँ फिट और खुश है, उसके भाई-बहन सफल हैं, और बिफ जॉर्ज की नौकरी में एक नौकर है। जैसे ही मार्टी जेनिफर के साथ फिर से जुड़ता है, डॉक्टर अचानक डेलोरियन में फिर से प्रकट होता है, और आग्रह करता है कि वे अपने बच्चों को भयानक भाग्य से बचाने के लिए भविष्य में उसके साथ लौटें।