힐 밸리(Hill Valley)에 사는 주인공 마티 맥플라이(마이클 J. 폭스 분)는 아버지 죠지(크리스핀 글로버 분)와 어머니 로레인(리아 톰슨 분)), 그리고 형과 누나가 있는 가정의 평범한 고등학생이다.

그런데 평소 친하게 지내던 괴상한 발명가 에메트 브라운 박사(크리스토퍼 로이드 분)가 스포츠카 드로리안(DeLorean)을 개조해 타임머신을 만들고, 뜻밖의 사고로 브라운 박사가 테러범들에게 총을 맞고 위험해진 상황에서 마티는 30년 전으로 가게 된다.

극장 간판에는 2류 배우인 로널드 레이건이 보이고 청년인 아버지와 어머니를 보게 된다. 젊은 아버진 멍청하고, 어머니는 미래의 아들인 마티를 좋아해 야단이다. 마티가 미래로 가는 것을 도와 줄 사람은 30년 전인 젊은 브라운 박사뿐.

댄스 파티가 열리는 날에 아버지와 어머니가 만났던 것을 기억해 낸 마티는 두 사람을 결합시키고자 어머니와 파티장으로 가고, 그 파티에서 심술장이 밥(토마스 F. 윌슨 분)이 나타나 어머니를 겁탈하려 하는 것을 본 아버지가 화가나 밥을 일격에 때려 눕히면서부터 소심했던 아버지의 성격이 바뀌어 부모님은 무사히 사랑을 이룬다. 이제 마티의 존재는 없어지지 않게되었지만, '미래로의 귀환(Back to the future)' 은 여전히 어려운 상태다. 미래에 있을때 번개로 교회탑 종이 부서졌던 것을 기억한 마티는 브라운 박사와 교회탑에 전선을 연결하고, 마티를 태운 타임머신은 시간 이동에 성공한다.

마티는 사고가 난 그 시간에 맞춰 미래로 돌아오나, 브라운 박사는 막 총에 맞고 쓰러진다. 하지만 박사는 방탄복을 입고 있었고, 마티에게 과거에서 떠나기 직전 마티가 준 오래된 쪽지를 보여준다.

다음날 눈을 뜬 마티는 자신의 신기한 모험 모두가 꿈인 줄 알지만 아버지가 저명한 작가로 변해 있는 것을 보고 꿈이 아님을 깨닫는다. 여자 친구 제니퍼(클라우디아 웰즈 분)와 산책을 하던 마티에게 미래로 갔던 박사가 나타나 마티의 아이들에게 문제가 생겼음을 알리며 마티와 제니퍼를 찾아온다. 또 다시 이들을 태운 타임머신은 하늘을 날아간다. 과연 30년 후엔 어떤 일이 벌어지고 있는 것일까.