मार्टी मैकफ़्लाय एक किशोर है जो कैलिफोर्निया के हिल वैली में अपने खस्ताहाल परिवार के साथ रहता है। उसके पिता जॉर्ज को उसके सुपरवाइज़र बिफ टैनेन का दुर्व्यवहार सहना पड़ता है और उसकी मां लॉरेन को पीने की लत है। 25 अक्टूबर 1985 की सुबह उसके मित्र और वैज्ञानिक डॉक्टर इमेट “डॉक” ब्राउन उसे फ़ोन करते हैं और रात के 1 बज कर 15 मिनट पर ट्विन पाइंस मॉल में मिलने को कहते है। मार्टी और उसका बैंड स्कूल के नृत्य में भाग लेने के लिए ऑडिशन देते हैं लेकिन उन्हें छांट दिया जाता है। मार्टी की गर्लफ्रेंड जेनिफर पार्कर उसके रॉक संगीतकार के सपने को प्रोत्साहित करती है। देर रात को, खाने के दौरान लॉरेन अपने पुराने दिनों को याद कर बताती है कि किस प्रकार वह और जॉर्ज पहली बार प्रेम में पड़े थे जब उसके पिता की कार से जॉर्ज टकराए थे।
योजना के मुताबिक मार्टी डॉक से मिलता है। डॉक उसे डेलौरियन DMC-12 के बारे में बताते हैं जिसे उन्होंने समय यंत्र में बदल दिया है जिसे प्लूटोनियम द्वारा बिजली मिलती है जो 1.21 गीगा वाट की शक्ति “फ्लक्स केपैसिटर” कहे जाने वाले उपकरण में उत्पन्न करता है। डॉक उसे यह भी समझाते हैं कि वह कार 88 मील प्रति घंटे की रफ़्तार हासिल करने के बाद योजनाबद्ध तिथि तक जाती है। हालांकि इससे पहले कि डॉक भविष्य में 25 साल आगे जा सकते लीविया के आतंकवादियों ने प्रदर्शनी से उनका प्लूटोनियम चुरा लिया और उन्हें गोली मार दी। मार्टी डीलोरियन (DeLorean) में बचकर भागने की कोशिश करता है लेकिन इस दौरान कार 88 मील प्रति घंटा की रफ़्तार पकड़ लेती है और वह 5 नवम्बर 1955 के अतीत में पहुंच जाता है।

1955 में मार्टी की भेंट बिफ द्वारा प्रताड़ित अपने किशोरवय पिता जॉर्ज से हो जाती है। ज्योंही जॉर्ज लॉरेन के पिता की कार की चपेट में आने वाले होते हैं मार्टी उन्हें धक्का दे देता है और खुद कार की चपेट में आ जाता है। नतीज़ा यह होता है कि लॉरेन जॉर्ज की बजाए मार्टी की ओर आकर्षित हो जाती है। लॉरेन के इस मनोभाव से मार्टी परेशान होकर डॉक को ढूंढने चल पड़ता है। मार्टी डॉक को समझाता है कि वह भविष्य से आया है और वह उसे 1985 के काल में लौटने में मदद करें। डॉक यह जानकर घबरा जाते हैं कि समय यंत्र को 1.21 गीगा वाट की शक्ति की आवश्यकता होती है। वे मार्टी से कहते हैं कि ऊर्जा की इतनी बड़ी मात्रा का एक ही स्रोत हो सकता है- आकाशीय बिज़ली. मार्टी को याद आता है कि अगले शनिवार को रात 10 बजकर 4 मिनट पर अदालत के घंटाघर के ऊपर बिज़ली गिरने वाली है। डॉक का यह भी मानना है कि मार्टी के कारण उसके माता-पिता के मिलने में बाधा पहुंची है। वह मार्टी से कहते हैं कि उसे उन दोनों को मिलाने का उपाय ढूंढना चाहिए अन्यथा वह पैदा नहीं हो पाएगा.

मार्टी एक योजना बनाता है जिसके अनुसार स्कूल के “"एन्चैन्टमेंट अंडर द सी" ” नृत्य वाली रात उसके प्रत्यक्ष यौन निवेदन से लॉरेन को बचाने के लिए जॉर्ज को आना था। हालांकि नशे में चूर बिफ अचानक पहुंच जाता है और मार्टी को कार से खींचता है और स्वयं को लॉरेन पर जबरदस्ती थोपने की कोशिश करता है। योजना के मुताबिक जॉर्ज लॉरेन को मार्टी से बचाने पहुंचता है लेकिन उसे मार्टी की जगह पर बिफ मिलता है। बिफ जॉर्ज को परास्त करता है लेकिन जॉर्ज उसके चेहरे पर घूंसा मारकर उसे बाहर गिरा देता है। मुग्ध लॉरेन जॉर्ज के साथ डांस फ्लोर तक जाती है जहां वे पहली बार एक दूसरे को चूमते हैं जिससे अब मार्टी का अस्तित्व में आना निश्चित लगता है।

इस बीच मार्टी डॉक को एक पत्र लिखता है जिसमें 1985 में होने वाली उसकी मृत्यु के बारे में उसे आगाह किया होता है, पर डॉक ने पत्र को बिना पढ़े ही फाड़ दिया, क्योंकि उसे डर था कि वह भविष्य को बदल देगा। रात 10 बजकर 4 मिनट पर गिरने वाली बिजली मार्टी को सफलता पूर्वक वर्ष 1985 में पहुंचा जाती है लेकिन उसे पहुंचने में थोड़ी देर हो जाती है और वह डॉक को गोली लगने से बचा नहीं पाता है। हालांकि, डॉक उसे बाताते हैं कि उन्होंने बुलेट प्रूफ बनियान पहन रखी थी और स्वीकार करते हैं कि उन्होंने चिट्ठी दबा रखी थी।

डॉक मार्टी को घर छोड़ते हैं और समय यंत्र में बैठकर भविष्य की ओर चल पड़ते हैं। अगले सुबह जब मार्टी की नींद खुलती है तो वह अपने घर और परिवार को काफी बदला हुआ और खुशहाल पाता है। लॉरेन शारीरिक रूप से तंदुरुस्त होती है और जॉर्ज आत्मविश्वास से भरपूर एक सफल विज्ञान गल्प लेखक होता है। मार्टी का भाई डेव अब एक व्यवसायी है। बिफ वाहन विक्रेता बन जाता है और उसका जॉर्ज के प्रति बर्ताव बदल जाता है। ठीक जिस वक्त जेनिफर से मार्टी की दुबारा भेंट हो रही होती है डॉक आते हैं और उनसे ज़िद करते हैं कि वे अपने बच्चों के चयन के लिए उनके साथ भविष्य की यात्रा पर चलें. वे लोग उन्नत समय यंत्र, जो अब एक हॉवरकार है और उसे कचरे के संलयन द्वारा ऊर्जा मिलती है, में प्रवेश कर भविष्य की ओर चल पड़ते हैं।

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