In 1985, teenager Marty McFly lives in Hill Valley, California, with his depressed alcoholic mother, Lorraine; his older siblings, who are professional and social failures; and his meek father, George, who is bullied by his supervisor, Biff Tannen. After Marty's band fails a music audition, he confides in his girlfriend, Jennifer Parker, that he fears becoming like his parents despite his ambitions.

That night, Marty meets his eccentric scientist friend, Emmett "Doc" Brown, in the Twin Pines mall parking lot. Doc unveils a time machine built from a modified DeLorean, powered by plutonium he swindled from Libyan terrorists. After Doc inputs a destination time of November 5, 1955 (the day he first conceived his time travel invention), the terrorists arrive unexpectedly and gun him down. Marty flees in the DeLorean, inadvertently activating time travel when he reaches 88 miles per hour (142 kilometers per hour).

Arriving in 1955, Marty discovers he has no plutonium to return. While exploring a burgeoning Hill Valley, Marty encounters his teenage father and discovers Biff was bullying George even then. George falls into the path of an oncoming car while spying on the teenage Lorraine changing clothes, and Marty is knocked unconscious while saving him. He wakes to find himself tended to by Lorraine, who becomes infatuated with him. Marty tracks down and convinces a younger Doc that he is from the future, but Doc explains the only source available in 1955 capable of generating the power required for time travel is a lightning bolt. Marty shows Doc a flyer from the future that documents an upcoming lightning strike at the town's courthouse. As Marty's siblings begin to fade from a photo he is carrying with him, Doc realizes Marty's actions are altering the future and jeopardizing his existence; Lorraine was supposed to tend to George instead of Marty after the car accident. Early attempts to get his parents acquainted fail, and Lorraine's infatuation with Marty deepens.

Lorraine asks Marty to the school dance, and he plots to feign inappropriate advances on her, allowing George to intervene and rescue her, but the plan goes awry when Biff's gang locks Marty in the trunk of the performing band's car, while Biff forces himself onto Lorraine. George arrives expecting to find Marty but is assaulted by Biff. After Biff hurts Lorraine, an enraged George knocks him unconscious and escorts the grateful Lorraine to the dance. The band frees Marty from their car, but the lead guitarist injures his hand in the process, so Marty takes his place, performing while George and Lorraine share their first kiss. With his future no longer in jeopardy, Marty heads to the courthouse to meet Doc.

Doc discovers a letter from Marty warning him about his future and rips it, worried about the consequences. To save Doc, Marty recalibrates the DeLorean to return ten minutes before he left the future. The lightning strikes, sending Marty back to 1985, but the DeLorean breaks down, forcing Marty to run back to the mall. He arrives as Doc is being shot. While Marty grieves at his side, Doc sits up, revealing he pieced Marty's note back together and wore a bulletproof vest. He takes Marty home and departs to 2015 in the DeLorean. Marty wakes the next morning to discover his father is now a confident and successful science fiction author, his mother is fit and happy, his siblings are successful, and Biff is a servile valet in George's employ. As Marty reunites with Jennifer, Doc suddenly reappears in the DeLorean, insisting they return with him to the future to save their children from terrible fates.
1985년, 캘리포니아 힐 밸리에 사는 10대 마티 맥플라이는 우울증에 걸린 알코올 중독자 어머니 로레인, 직업적으로나 사회적으로 실패한 형들, 상사인 비프 타넨에게 괴롭힘을 당하는 온순한 아버지 조지와 함께 살고 있습니다. 마티의 밴드가 음악 오디션에서 실패한 후, 그는 여자 친구 제니퍼 파커에게 자신의 야망에도 불구하고 부모님처럼 되는 것이 두렵다고 털어놓습니다.

그날 밤, 마티는 트윈 파인스 쇼핑몰 주차장에서 괴짜 과학자 친구 에멧 "닥" 브라운을 만납니다. 닥은 리비아 테러리스트로부터 훔친 플루토늄으로 구동되는 개조된 델로리안으로 만든 타임머신을 공개합니다. 1955년 11월 5일(시간 여행 발명품을 처음 고안한 날)을 목적지 시간으로 입력하자 테러리스트들이 불시에 나타나 닥을 총으로 쏴 죽입니다. 마티는 델로니어를 타고 도망치다가 시속 88마일(시속 142킬로미터)에 도달했을 때 실수로 시간 여행을 활성화합니다.

1955년에 도착한 마티는 돌아갈 플루토늄이 없다는 사실을 알게 됩니다. 급성장하는 힐 밸리를 탐험하던 마티는 10대 아버지를 만나고, 당시에도 비프가 조지를 괴롭혔다는 사실을 알게 됩니다. 조지는 옷을 갈아입는 십대 로레인을 훔쳐보다가 마주 오던 차의 길로 떨어지고, 마티는 그를 구하다가 의식을 잃고 쓰러집니다. 깨어난 조지는 로레인이 자신을 돌보는 것을 발견하고, 로레인은 그에게 푹 빠지게 됩니다. 마티는 젊은 닥을 추적해 자신이 미래에서 왔다고 설득하지만, 닥은 1955년에 시간 여행에 필요한 전력을 생산할 수 있는 유일한 에너지원은 번개뿐이라고 설명합니다. 마티는 닥에게 마을 법원에서 곧 번개가 칠 것이라는 미래에서 온 전단지를 보여 줍니다. 마티가 들고 있던 사진에서 마티의 동생들이 사라지기 시작하자 닥은 마티의 행동이 미래를 바꾸고 자신의 존재를 위태롭게 하고 있음을 깨닫고, 교통사고 후 마티 대신 로레인이 조지를 돌보기로 되어 있던 로레인은 마티를 돌보게 됩니다. 마티의 부모님과 친해지려는 초기 시도는 실패로 돌아가고, 마티에 대한 로레인의 사랑은 더욱 깊어집니다.

로레인은 마티에게 학교 댄스파티에 초대하고, 마티는 로레인에게 부적절한 접근을 하는 척하며 조지가 개입하여 로레인을 구출하도록 계획하지만, 비프 일당이 마티를 공연 밴드의 차 트렁크에 가두고 비프가 로레인에게 강제로 접근하면서 계획은 실패로 돌아갑니다. 조지는 마티를 찾을 수 있을 거라 기대하며 도착하지만 비프에게 폭행을 당합니다. 비프가 로레인을 다치게 하자 분노한 조지는 비프를 기절시키고 고마워하는 로레인을 무대로 안내합니다. 밴드는 마티를 차에서 내려주지만 그 과정에서 리드 기타리스트가 손을 다쳐 마티가 대신 연주하고, 조지와 로레인이 첫 키스를 나누는 동안 마티가 연주를 합니다. 더 이상 미래가 위태롭지 않게 된 마티는 닥을 만나기 위해 법원으로 향합니다.

닥은 마티가 자신의 미래에 대해 경고하는 편지를 발견하고 그 결과를 걱정하며 편지를 찢어버립니다. 닥을 구하기 위해 마티는 미래로 떠나기 10분 전으로 돌아가도록 드로리언을 재조정해요. 번개가 치면서 마티는 1985년으로 돌아갔지만 델로니어가 고장나 마티는 쇼핑몰로 다시 달려가야만 했어요. 마티가 도착했을 때 닥이 총에 맞았어요. 마티가 옆에서 슬퍼하는 동안 닥은 자리에서 일어나 마티의 메모를 다시 붙이고 방탄 조끼를 입었다고 밝힙니다. 그는 마티를 집으로 데려가 델로니어를 타고 2015년으로 떠납니다. 다음 날 아침 눈을 뜬 마티는 아버지는 자신감 넘치는 성공한 공상과학 작가가 되었고, 어머니는 건강하고 행복하며, 형제자매들은 모두 성공했고, 비프는 조지의 하인으로 일하고 있다는 사실을 알게 됩니다. 마티가 제니퍼와 재회하자 갑자기 닥이 델로니어호에 다시 나타나 끔찍한 운명에서 아이들을 구하기 위해 함께 미래로 돌아가자고 주장합니다.