Marty McFly vive con i genitori e i fratelli a Hill Walley: è un simpatico diciassettenne, che una sera incontra uno scienziato spiritato - il dott. Brown - il quale è riuscito a trasformare un'auto DeLorean in uno straordinario "veicolo del tempo". L'auto è alimentata da plutonio, che Brown ha sottratto a dei terroristi libici e questi lo tallonano per vendicarsi, finchè gli sparano, poco dopo che il vecchio ha sommariamente spiegato a Marty gli elementi essenziali della sua creatura e le possibilità straordinarie che a questa si presentano. Così Marty, per salvarsi dagli aggressori, parte a razzo e tutto solo e si ritroverà nella sua stessa cittadina trent'anni prima, giusto nel 1955. Egli andrà incontro ad imprevedibili avventure, si troverà coinvolto in situazioni bizzarre e farà spesso con la gente la figura dello sprovveduto o del matto (il bar locale è sempre lo stesso, ma certo il ragazzo non vi troverà la "Fanta" che richiede e così via discorrendo). Proprio lì egli conosce George McFly, suo futuro padre, un suo coetaneo goffo e sbeffeggiato dai compagni di scuola (sempre quella, ovviamente) e per di più incontra Lorraine Baines, altra diciassettenne, destinata a sposare George e, a tempo debito, a mettere al mondo proprio lui (anche se, nel '55, quella graziosa ragazza pare trovarlo infinitamente attraente e simpatico). Marty scopre poi la casa dove Brown lavora, anche lui più giovane, ma con la sua grande zazzera bianca al vento e tutto preso dai suoi esperimenti scientifici. Quello che però preme maggiormente a Marty è che Lorraine si innamori di George, ma questi è così timido che occorreranno al giovanotto mille astuzie per spingere i due l'uno nelle braccia dell'altro, pena ... l'avvenire di Marty stesso. Poi, rincuorato e stimolato dal nuovo amico, George salva Lorraine dalle "avances" di un mezzo teppista locale e la porta ad un ballo pubblico, dove con il primo bacio scoccherà la scintilla fatale. Ora che le necessarie premesse sono assicurate, Marty desidera tornare nell'anno 1985 e, quindi, a casa. Grazie ai suoi geniali marchingegni (e profittando di un fulmine che alle 22 e 4 minuti di una sera di trent'anni prima era piombato sul grande orologio cittadino di Hill Walley), il dottor Brown fa ripartire il ragazzo per la sua camera da letto. A casa egli ritrova i suoi, George che ora è un uomo più deciso e fortunato, l'ex teppistello di trent'anni prima, che ora gli lava la macchina e, soprattutto, sua madre, sempre graziosa e gentile. Tutto non è durato che una manciata di secondi. Ma si direbbe che quel Brown sia immortale: Marty lo vedrà ricomparire alla fine, proprio mentre incontra di nuovo, un po' stonato data la sua fantastica avventura, l'amichetta del cuore... Doc Brown, lo spiritato inventore, comunica al suo amico Marty McFly che per il suo bene e quello dei suoi futuri figli è opportuno che intraprenda un viaggio nel futuro, nel 2015, grazie alla famosa DeLorean alimentata da plutonio che già aveva condotto entrambi nel passato nel 1955, al fine di "correggere" gli avvenimenti che stanno per verificarsi. La missione nel 2015 ha successo, ma durante il viaggio di ritorno Marty si accorge di strani mutamenti: la tranquilla cittadina di Hill Valley è diventata una città malfamata, dominata dal perfido Biff Tannen, diventato ricco grazie a un almanacco sportivo che Marty aveva comprato nel 2015 e a lui rubato da un Biff Tannen quasi centenario, il quale riportava tutte le classifiche sportive dal 1955 in poi, consentendogli di vincere tutte le scommesse. Il laboratorio-officina di Doc è stato distrutto e l'inventore, dichiarato legalmente insano di mente, si trova rinchiuso in una casa di cura. Nel tentativo di riportare tutto alla normalità, Marty deve tornare nel 1955 per impedire che il Biff Tannen del futuro consegni al Biff Tannen giovane l'almanacco del 2015 che gli consente di conoscere in anticipo i risultati degli eventi sportivi. Alla fine riesce a modificare gli eventi, in modo che il "suo" 1985 ritorni normale, ma a causa di un uragano che scatena lampi elettrici, la DeLorean viene risucchiata nel vortice temporale, lasciando Marty nel 1955... Nel 1955, un estroso scienziato, Emmett Brown, detto Doc, e Marty McFly, un suo giovane amico, mentre sono intenti al recupero della "DeLorean", la prestigiosa "macchina del tempo", scoprono una tomba sulla cui lapide è ricordata l'uccisione di Emmett Brown avvenuta il 7 settembre del 1885 a Hill Valley. Per evitare la morte di Doc, Marty decide di viaggiare indietro nel tempo: giunge pertanto a Hill Valley il 2 settembre 1885 e scopre che Emmett Brown, un bizzarro maniscalco-scienziato del luogo, non solo si è attirato le ire del fuorilegge Buford "Mad Dog" Tannen ma si è anche innamorato dell'affascinante maestra Clara Clayton. Assunto il nome di Clint Eastwood, un temibile pistolero, Marty, dopo aver affrontato Mad Dog ed i suoi accoliti, riesce ad evitare la morte di Doc. Ora necessita ritornare nel futuro: poichè la "DeLorean" non è in grado di ripartire, Doc progetta di sospingerla a velocità vertiginosa con un locomotore lungo una linea ferrata. Dopo numerose peripezie e con l'aiuto di Doc e di Clara, Marty riesce a ritornare indenne nel futuro.