Após descobrir que o Doutor Brown ficou preso em 1885, Marty McFly contata o Emmett de 1955 para reparar a máquina do tempo. Marty vê uma lápide em um cemitério com o nome de Brown, com a data de 7 de setembro de 1885, e descobre que ele foi morto pelo bisavô de Biff, Buford “Cachorro Louco” Tannen, por conta de uma dívida de oitenta dólares.

Marty viaja para 2 de setembro de 1885 para salvar Brown; após chegar, esconde o DeLorean em uma caverna e percebe que o tanque de combustível está furado. Quando Marty chega na então pequena cidade, entra em conflito com Buford e sua gangue, quem tenta linchar Marty enforcando-o, mas Brown o salva. Brown concorda em voltar a 1985 após Marty explicar que ele será morto.

Como o carro não tem gasolina e não há postos de combustíveis em 1885, Doc elabora um plano para usar uma locomotiva para empurrar o DeLorean até as 88 mph (142 km/h). Enquanto ele e Marty exploram um ramal ferroviário ainda em construção que eles pretendem usar, eles avistam uma carroça com uma passageira chamada Clara Clayton que vai cair em uma ravina; Brown a salva, e os dois se apaixonam. Em um festival da cidade, Buford tenta matar Brown, mas Marty o frustra.

Depois que Marty e Emmett colocaram o DeLorean nos trilhos do ramal, o cientista vai se despedir de Clara, mas é incapaz de convencê-la de que ele é do futuro, sendo rejeitado por ela. Desiludido, Brown vai ao bar para se embebedar, mas desmaia depois de beber um único gole de uísque. Pouco depois, Buford chega e chama Marty para uma peleja, mas Marty se recusa a duelar. Após Brown acordar ele tenta fugir com Marty, mas a gangue de Buford captura Doc, forçando Marty a duelar. Depois de enganar Buford para pensar que ele matou Marty usando uma placa de um forno à lenha resistente à tiros, Marty golpeia Buford e o derrota; Buford é preso por um assalto anterior.

Clara embarca no trem para ir embora da cidade; após ouvir um vendedor discutindo o quão desolado Brown estava, ela percebe que Brown realmente a amava, então baixa do trem e vai para a oficina de Brown. Lá, descobre uma maquete que ele havia feito para simular sua viagem com a máquina do tempo e depois corre a cavalo atrás de Brown. Brown e Marty roubam uma locomotiva e começam a empurrar o DeLorean ao longo da linha do ramal; Clara chega a tempo para embarcar na locomotiva enquanto Brown sobe em direção ao DeLorean sem perceber sua presença. Após vê-la, Brown encoraja Clara a ir com ele e Marty para 1985, mas ela quase cai da locomotiva, ficando pendurada pelo seu vestido. Marty passa seu hoverboard de 2015 para Brown para que ele possa salvar Clara; depois, o casal se afasta do trem quando ele cai de uma ponte ferroviária inacabada.

Marty chega em 27 de outubro de 1985, escapando do DeLorean pouco antes dele ser destruído por um trem de carga. Ele descobre que tudo voltou ao cronograma inicial da viagem pós-tempo e encontra Jennifer dormindo em sua varanda da frente; Marty usa as lições que aprendeu em 1885 para evitar participar de um racha de rua com Douglas J. Needles, evitando um acidente automobilístico. Enquanto Marty e Jennifer examinam os destroços do DeLorean nos trilhos de trem, uma máquina do tempo em forma de locomotiva surge; dentro estão Brown, Clara e seus dois filhos, Jules e Verne. Depois de dar a Marty de presente uma foto dos dois durante a festa de inauguração do relógio da torre em 1885, Brown diz aos jovens que seu futuro ainda não foi escrito, e ele e sua família partem para um tempo desconhecido.