Tahun 1985, hidup Marty McFly di Hill Valley, California, jauh dari kata sempurna. Ibunya, Lorraine, terjebak dalam depresi dan alkohol, kakak-kakaknya hidup tanpa arah, dan ayahnya, George, selalu jadi korban ejekan atasannya yang kejam, Biff Tannen. Setelah band-nya gagal dalam audisi musik, Marty curhat pada pacarnya, Jennifer Parker, bahwa ia takut masa depannya akan sama suramnya dengan hidup orang tuanya.

Malam harinya, Marty menemui sahabatnya yang juga ilmuwan nyentrik, Emmett "Doc" Brown, di tempat parkir mal Twin Pines. Doc memperlihatkan temuannya yang luar biasa, sebuah mesin waktu yang dibuat dari mobil DeLorean dan ditenagai oleh plutonium yang ia curi dari teroris Libya. Namun, eksperimen itu berubah kacau saat para teroris datang menyerang dan menembak Doc hingga tewas. Dalam kepanikan, Marty melompat ke dalam DeLorean dan kabur, tanpa sengaja mengaktifkan mesin waktu setelah mencapai kecepatan 88 mil per jam (sekitar 142 km/jam).

Marty akhirnya mendarat di tahun 1955, masa di mana orang tuanya masih remaja. Tapi masalah baru muncul: DeLorean kehabisan plutonium, dan ia tidak punya cara untuk kembali ke masa depan. Saat mencoba memahami situasi, Marty bertemu ayahnya yang muda dan sadar bahwa Biff sudah menindas George sejak dulu. Dalam sebuah insiden tak terduga, George hampir tertabrak mobil saat sedang mengintip Lorraine muda, tapi Marty menyelamatkannya dan malah dirinya yang pingsan. Saat sadar, ia malah dirawat oleh Lorraine, yang kini jatuh cinta padanya.

Marty kemudian mencari versi muda dari Doc dan berhasil meyakinkannya bahwa ia datang dari masa depan. Doc menjelaskan, satu-satunya energi di tahun 1955 yang bisa menghasilkan daya sebesar 1,21 gigawatt untuk mengaktifkan mesin waktu adalah sambaran petir. Untungnya, Marty membawa selebaran dari masa depan yang berisi info bahwa sambaran petir besar akan terjadi di gedung pengadilan Hill Valley. Tapi masalah semakin rumit ketika Doc sadar bahwa keberadaan Marty mulai mengubah masa depan, foto saudara-saudaranya mulai menghilang, tanda bahwa garis waktu mulai rusak. Semua karena Lorraine, yang seharusnya jatuh cinta pada George, kini justru terpesona pada Marty.

Bisakah Marty memperbaiki masa depan keluarganya dan kembali ke tahun 1985, atau justru ia akan terjebak selamanya di masa lalu bersama ibunya yang salah jatuh cinta?