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カリフォルニア州ヒルバレーの高校生であるマーティーは，エメットブラウン博士の発明したタイムマシンでひょんなことから1985年から1955年にタイムスリップした．元の年代の30年前，自分の両親が高校生の頃である．自分の母親になるロレインに一目惚れされてしまい，タイムパラドックスが起こる危険が発生．1955年のブラウン博士（ドク）に協力を求めるが，タイムトラベルに必要なエネルギー源，プルトニウムがない．しかしちょうど１週間後に時計台に落雷があることを知り，それを利用して1985年に帰る計画を立てる．何とかして元の歴史どおり両親を結び付けなければならない．それも落雷が起こる前に．マーティーは無事に自分の両親の間を取り持ち，1985年に帰ることができるのか！？
1985年に帰ってくることができたがその翌日，彼女のジェニファーとドライブに出かけようとしていたところにドクがタイムマシンで現れた．2015年でマーティーたちの子どもが大変だ，という．急いで2015年に行き，事を正して1985年に戻るとそこは無法地帯と化していた．マーティーが未来で買ったスポーツ年鑑によってビフが支配する世界へと変わってしまっていたのだ．なんとか年鑑を取り戻さないことには元の1985年には戻らない．そこで再び1955年にタイムトラベルした．若き日のビフを追いつづけるマーティー．無事自分たちの未来を取り戻すことができるのか！？
1955年にマーティーを残してドクはタイムマシンとともに消えた．1955年のドクを再び訪ね，1885年に飛ばされてしまったドクからの手紙に従いタイムマシンを掘り起こすが，そこで西部開拓時代に射殺されたドクの墓石を発見．ドクを助けるために修理されたタイムマシンを使って1885年にタイムスリップする．1885年のドクはマーティーと1985年に戻る決意をするが，ガソリンタンクに穴が開いてしまいガス欠だった．ガソリンに変わる何かで加速しなければ未来に帰れない．そのうちにドクはヒルバレーにやってきたクララという教師に恋をした．クララを失うまいとするドクに対しマーティーが説得．しかしマーティーも祭りでのもめごとのうちに決闘の申し込みを受けてしまう．どうしたら過去を変えずに未来へ帰ることができるのか！？