依據博士在七十年前留下的信，馬丁和1955年 的博士找到了藏在穴礦中的時間機器。馬丁無意間發現在1885年的博士在寄信後不久就將被殺，於是又乘著時間機器趕往1885年。
　　馬丁成功抵達， 但油箱卻不慎破損。 馬丁遇上了他的祖先威廉並受到照顧，他化名來到了建立之初的小鎮，卻遇上了貝夫的祖先鄧彪福，並受到迫害。在危急之際，博士救下了馬丁。
　　博士得知了將要發生的事情並準備和馬丁一起回到未來，但油箱的破損卻使時間機器無法行駛到所需的速度。博士想出了利用火車的方法，並在實地勘測時救下了女教師克麗，兩人一見鍾情。
　　在晚會上，馬丁從鄧彪福手下救出了博士，但他卻接受了與鄧彪福決鬥的挑戰。博士與喜歡科幻小說的克麗感情日深，但必須返回未來一事卻使他頗傷腦筋。在返回未來的前一天夜裏，博士去與克麗告別。在克麗的追問下，博士說出了時間旅行的秘密，卻被克麗誤解。博士萬念俱灰，前往酒館欲借酒澆愁，而傷心的克麗也要離開小鎮。
　　馬丁醒來後找到了博士，但正要離開時博士卻因醉酒而暈睡，使馬丁麵臨與鄧彪福的決鬥的危機。馬丁弄醒博士後想逃之夭夭，但博士卻落入了鄧彪福的手裏。馬丁急中生智，利用鐵板護身，打敗了鄧彪福。
　　馬丁和博士開始實行他們的計劃，而克麗在火車上得知了博士對她的真情後，也趕來尋找博士。博士的計劃順利實施， 但克麗趕到後卻陷入了危境。 為了救克麗，博士錯過了回到未來的時機。
　　時間機器成功地把馬丁送回了1985年，但卻不幸被毀，馬丁無法再去接回博士。他找到了女友珍妮和她一同出遊，由於時間旅行的經曆改變了馬丁的急性子，使馬丁避免了未來的災難。馬丁和珍妮來到時間機器被毀的地方，對博士無法回來而感到憂傷，但就在此時，博士卻駕著新的時間機器出現在馬丁和珍妮麵前。他已經和克麗結了婚並有了孩子。在告訴馬丁“未來的一切都是未定的”這一道理之後，博士又繼續開始了他的時間之旅。
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