Em 1985, Marty reencontra-se com a sua namorada Jennifer. Pouco depois, aparece o Dr. Brown com a máquina do tempo, convencendo-o de que tinha que ir com ele para o futuro, para 2015, para evitar que seu filho Marty McFly Jr. seja encarcerado. Brown também leva Jennifer embora para que não contasse a ninguém o que viu e induz-lhe radiação alfa para adormecer para, quando acordar, pensar que tudo que ela testemunhou foi um sonho.

Quando chegam em 2015, Brown dá a Marty roupas especiais automatizadas para que pareça com seu filho Marty Jr. Ao ver o Café Anos 80, Marty entra e encontra lá Marty Jr., e ele vê que Griff Tannen (neto de Biff) quer que seu filho participe de um roubo. Marty faz-se passar por Marty Jr. e se recusa a fazer o que Griff ordena, mas Griff incita Marty a uma luta, começando uma perseguição; Griff e sua gangue são presos, fato que salva o filho de Marty.

Antes de reencontrar Doc, Marty compra um almanaque esportivo que contém todos os resultados das competições esportivas entre 1950 e 2000 para fazer apostas baseado nele. Porém, Brown diz-lhe que ele não construiu a máquina do tempo para ganhar dinheiro, mas sim para realizar pesquisas, e joga então o almanaque no lixo, mas o velho Biff vê o livro e decide pegá-lo. Enquanto isso, Jennifer é encontrada pela polícia que, ao verificar a sua identificação, a leva para sua casa do futuro, algo muito perigoso pois assim ela irá se encontrar com a sua pessoa de 2015, o que pode causar um sério paradoxo temporal.

Biff, ao perceber tudo o que se passava, decide alterar o seu passado. Aproveitando o fato de Marty e Brown se ausentarem da máquina do tempo para irem buscar Jennifer, Biff rouba o DeLorean para viajar no tempo e se encontrar consigo próprio para entregar-lhe o almanaque desportivo. Após Biff voltar a 2015 sem que Marty e Brown percebessem nada, eles, Jennifer e Einstein voltam a 1985 que eles pensavam que ia ser o original. No entanto, tudo em Hill Valley mudou para pior, porque agora Biff é o homem mais rico e poderoso da cidade. Marty descobre que é enteado de Biff e que ele assassinou secretamente seu pai, George, em 15 de março de 1973, e forçou sua mãe, Lorraine, a se casar com ele. Após Emmett descobrir que o velho Biff alterou o seu passado, o cientista explica a Marty que isso gerou uma nova linha de acontecimentos completamente diferentes dos que se tinham vivido até então, e para se voltar à vida tal e qual como era, seria necessário achar o ponto do tempo onde Biff deu o almanaque esportivo a ele mesmo.

Marty e Brown descobrem que precisam regressar a 12 de novembro de 1955 (dia da tempestade que estragou o relógio da torre). Após voltar a essa época, Marty consegue esconder-se no carro de Biff, quem vai para a escola e, ao notar que é observado pelo inspetor Strickland, disfarça uma revista feminina com a capa do almanaque, enganando também Marty; mas ele confronta Biff e, após bastante luta, consegue o almanaque verdadeiro. Biff persegue Marty, mas graças ao hoverboard de 2015 que trouxe consigo e de uma corda presa ao DeLorean voador, Brown pega Marty e os dois finalmente conseguem despistar Biff em um túnel. Marty queima o livro, e vê as notícias dos jornais de 1985 a alterarem-se para os fatos corretos.

No entanto, começa a tempestade, e quando Brown tenta aterrar o DeLorean para eles voltarem a 1985, o carro é atingido por um forte raio e desaparece imediatamente. Após isso, um homem do correio entrega uma carta a Marty, escrita por Brown, que explica que o raio tinha mandado o DeLorean para 1885, onde o Doutor levou a carta aos correios para ser entregue no local e hora exata onde Marty viu o carro desaparecer; tanto Brown como Marty agora encontram-se presos no tempo em datas muito distintas. Marty corre para a cidade onde vê o Brown de 1955, e depois de dizer a ele que voltou do futuro, o cientista cai desacordado, terminando assim o filme.