Фильм является неотрывным продолжением первой части трилогии. Мы вновь попадаем в гараж Марти, в котором стоит его новенькая машина, о которой он мечтал в альтернативном 1985 году, когда предложил Дженнифер поехать с ним на озеро в выходные, и именно этот автомобиль проехал на платформе рядом с ними. В ту минуту, когда Марти говорит Дженнифер, как сильно он по ней соскучился, неожиданно появляется машина времени, за рулем которой сидит Док. Марти удивляется его странному имиджу, Док комментирует это тем, что в будущем одеваются именно так. Машина времени модифицирована, теперь на ней установлен «домашний ядерный реактор», способный выдать нужное количество электроэнергии из любых пищевых отходов. Док рассказывает, почему он прибыл за Марти и Дженнифер. В семье Марти МакФлая (Майкл Дж. Фокс) и его будущей жены Дженнифер Паркер (Элизабет Шу) в 2015 году большие проблемы. Сын Марти, Марти МакФлай-Младший (Майкл Дж. Фокс) будет арестован за ограбление банка. Дочь Марти (Майкл Дж. Фокс) попытается его спасти и сама попадётся полиции. Вернувшись из 2015 года в 1985, доктор Эммет Браун (Кристофер Ллойд), извещает его об этих проблемах и берет его вместе с Дженнифер, чтобы эти проблемы исправить. По дороге ошеломлённая Дженнифер засыпает Дока вопросами о будущем, и Доку приходится её усыпить.

Прибыв в 2015 год, Марти и Док укладывают Дженнифер на контейнеры для мусора, совершенно не опасаясь того, что ее могут обнаружить полицейские, ведь в 2015 году идентификация личности происходит исключительно по отпечаткам пальцев специальными электронными считывающими устройствами.

Док озвучивает Марти свой план, согласно которому необходимо действовать. В 2015 году Хилл-Вэлли не сильно изменился, Марти видит ТЕКСАКО, рекламу фильма «Челюсти-19» и до сих пор не починенные часы на башне мэрии, в которые 60 лет назад ударила молния.

Будущий сын Марти, Марти МакФлай-Младший как две капли воды похож на своего отца. Док заставляет Марти принять вид собственного сына и отказаться от ограбления, на которое подбивал младшего МакФлая Грифф (Томас Ф. Уилсон), внук старого Биффа Таннена (Томас Ф. Уилсон).

Марти заходит в ностальгическое кафе «Восьмидесятые», где показывает класс в игре «Дикий стрелок» — известная игра для приставок 80-90х годов. Затем Марти сталкивается с Биффом, который бьет его набалдашником трости прямо по голове, оскверняя имя Марти-старшего. В кафе тем временем входит банда Таннена, которая окликает Марти по фамилии. Изображая собственного сына, Марти нарывается на конфликт с Гриффом, который называет Марти трусом. Выгадав немного времени путем своей любимой уловки «Эй, смотри, что там такое?», Марти выбегает из кафе и чуть не натыкается на своего сына. Всю эту сцену наблюдает изрядно постаревший Бифф Таннен, который превратился в ворчливого 78-летнего старикашку.

В процессе погони на летучих досках-аэробордах за Марти, Грифф вместе со своими дружками не вписывается в поворот и влетает в остеклённое здание мэрии, за что его немедленно арестовывают. Док интересуется, что произошло, Марти рассказывает детали, отчего у Дока просыпается боязнь за сохранность Вселенной. Но его тревога сменяется ликованием: заголовки газет изменились в лучшую для семейства Макфлаев сторону, и будущие дети Марти-старшего и Дженнифер спасены. Эммет советует Марти отправиться к Дженнифер и ждать его там, а затем отправиться обратно в 1985 год. В это время к Марти приходит мысль заработать на ставках спортивных состязаний, и он покупает «Спортивный Альманах Грейс» — брошюру, в которой напечатаны все результаты спортивных состязаний с 1950 по 2000 годы.

Собираясь в спешке, Марти случайно роняет на асфальт брошюру, объяснив Доку свои цели заработать на скачках. Узнав об этом, Док пришёл в страшное негодование: он изобрёл машину времени отнюдь не для денежных махинаций. Док вырывает у Марти альманах и выбрасывает его в мусорный бак. Альманахом завладевает подслушивавший их разговор старик Бифф Таннен. В то же время, спящую Дженнифер полиция 2015 года приняла за Дженнифер из 2015 года и повезла домой, удивившись качеству пластической операции по омоложению. В 2015 году все двери открываются отпечатком пальца, поэтому у полицейских дам совершенно не возникло проблем с открытием входной двери. Доку и Марти приходится идти в дом Марти 2015 года за Дженнифер. Старик Бифф продолжает преследование, намереваясь завладеть машиной времени.

В это время пришедшая в себя Дженнифер в доме Марти наблюдает за своей будущей семьёй. Она узнаёт, что 30 лет назад Марти повредил руку в автомобильной аварии во время гонки, на которую его подбил Дуглас Ниддлс (никто не смеет называть Марти трусом!), поэтому из-за травмы Марти забросил музыку. События продолжают развиваться. Ниддлс снова подбивает Марти на аферу, об этом узнаёт их босс, и увольняет Марти. Дженнифер завладевает листком факса с надписью «Ты уволен!» и спешит покинуть дом. Однако, на выходе из дома она встречает саму себя из будущего и обе Дженнифер падают в обморок. Док и Марти, заметив это, незаметно вытаскивают бесчувственную Дженнифер за руки.

Подловив момент, когда Марти отошел от машины времени поинтересоваться обстановкой 2015 года, Бифф отправляется в 1955 год и отдает самому себе ценную книгу, в которой приведены результаты всех состязаний за 50 лет, и тут же возвращается обратно в 2015-й. Ничего не подозревающие Марти, Док и Дженнифер возвращаются в 1985 год. Там Марти и Док обнаруживают полную разруху, обилие байкеров и проституток на улицах и властвующего богатого Биффа. Мать МакФлая, Лоррэйн, вышла замуж за Биффа, который заставил её пойти на пластическую операцию по увеличению груди. Лоррэйн стала много пить после произошедшего. Отец Марти убит Биффом 12 лет назад, а Док посажен в сумасшедший дом. Сам Марти якобы отправлен в сиротский приют в Швейцарию.

Узнав, что Джордж МакФлай мёртв, Марти сам отправляется к Биффу, и тот всё рассказывает юноше, собираясь при этом убить Марти. Однако на крыше Марти приходит на помощь Док, и они вместе улетают от дома Таннена. Док сообщает Марти всю информацию, которую смог добыть. Путём несложных умозаключений они понимают, что старик Бифф завладел машиной времени и воспользовался идеей Марти обогатиться на спортивных состязаниях. В машине времени был найден набалдашник от трости Биффа и пакет из будущего, в котором был альманах.

Марти и Док перемещаются в момент прошлого (1955 год), когда престарелым Биффом был передан самому себе (молодому) спортивный альманах, чтобы исправить ситуацию и уничтожить реальность, в которой Бифф богат, Док находится в психиатрической больнице, Марти — в приюте, а его настоящий отец убит. Марти вновь видит местность, в которой побывал буквально вчера. Еще одним минусом ситуации стал тот факт, что в этой альтернативной реальности два Марти — один из 1985 года, и второй — прилетевший только что из 2015 и два Дока. Один, живущий в 1955 и второй — прибывший вместе с Марти. Пытаясь не попасться самим себе на глаза, Марти и Док разрабатывают специальный план, согласно которому Марти вытащит альманах из кармана Биффа.

Днём молодой Бифф получает альманах от старика, который представляется ему дальним родственником и обстоятельно объясняет, как хранить и пользоваться альманахом. Так же старик предупредил, что однажды или молодой парень или старый ученый спросят его об этой книге. Бифф небрежно бросил альманах на заднее сиденье, за что был отруган стариком. Далее старик уходит, и Бифф запирает машину в гараже вместе с Марти.

Вечером того же дня состоялся бал «Очарование на дне морском», где Марти приходится скрываться от банды Биффа. После того, как альманах оказывается в руках Марти, тот сжигает его в месте, где впервые спрятал машину времени. Док висит в небе, освещаемый лучами молний, в машине времени. Но спуститься оттуда ему не удалось.

Уже когда Марти и Док собираются возвращаться в 1985 год, в машину времени с Доком бьёт молния и машина исчезает. К Марти подходит почтальон. Он вручает ему письмо из 1885 года и просит подтвердить, что он действительно Марти и у него есть друг Эммет Браун. Теперь Марти нужно найти Дока 1955 года, который занимается отправкой другого Марти в 1985 год, и вместе с ним восстановить машину времени, которая находится в пещере с 1885 года… (Марти находит Дока 1955 года уже после того, как тот отправил другого Марти в 1985 год, но Док почему-то оказывается не рад этой встрече. Он говорит: "Марти! Я же только что отослал тебя в будущее!" и получает ответ: "Да, но я ВЕРНУЛСЯ из будущего!!!". Док падает в обморок, и Марти пытается привести его в чувство. Камера поднимается вверх, и на экране видна надпись "TO BE CONCLUDED..." ("Окончание следует...").