Den 17-årige Marty McFly (Michael J. Fox) är kompis med uppfinnaren Dr. Emmett Brown (Christopher Lloyd) som har byggt en tidsmaskin av en DeLorean DMC-12. Samma kväll som Dr Brown visar upp sin tidsmaskin för Marty genom att skicka sin hund, Einstein, en minut fram i tiden, blir Doc plötsligt skjuten av de terrorister som blivit lurade att ge Doc det plutonium som krävs för att driva tidsmaskinen. Marty försöker fly undan terroristerna och kastar sig in i tidsmaskinen som efter en kort biljakt plötsligt gör ett tidshopp.

Marty McFly och Emmet Brown gör en resa till framtiden för att hindra Martys och Jennifers framtida son från att göra ett stort misstag. De lyckas med uppdraget, men kommer hem och märker att ingenting är sig likt. Det visar sig att framtidens Biff Tannen har lånat tidsmaskinen och åkt tillbaka i tiden för att lämna en bok innehållande idrottsresultat till sitt unga jag. Denna har sedan den unga Biff använt för att skapa sig en stor rikedom.

Marty, som har blivit strandsatt i tiden 1955, får ett telegram från Dr. Emmet Brown, som själv befinner sig i 1885. Meddelandet visar var tidsmaskinen är gömd, och med hjälp av den Emmet Brown som finns 1955 kan Marty reparera den och hämta Emmet från 1885. Tyvärr visar det sig att Emmet har blivit kär och inte vill åka hem till 1985. Marty vet att både Emmet och hans käresta Clara kommer att dö under dramatiska former om de blir kvar, så han övertalar Emmet att följa med på en sista tidsresa.