Hill Valley, California, 25 ottobre 1985. Marty McFly è un diciassettenne studente di liceo, pigro e spesso ritardatario, ma coraggioso, gentile e di buon cuore, fidanzato con Jennifer Parker, sua coetanea e compagna di scuola. Marty sogna di diventare una rockstar ed è il chitarrista in un gruppo rock amatoriale, i Pinhead, pur senza molta fortuna: i componenti del gruppo vengono infatti bocciati al provino per suonare al ballo della scuola, perché i docenti li ritengono "troppo rumorosi".

Il ragazzo, inoltre, da sempre desidera una vita migliore e più agiata (l'automobile dei suoi sogni è un fuoristrada che non può permettersi) e non si dà pace per la piatta esistenza sua e dei suoi familiari: suo padre George, sin dai tempi della scuola, è totalmente succube del bullo Biff Tannen, ora suo capoufficio, che gli ha distrutto la macchina con la quale Marty aveva promesso di portare Jennifer in campeggio la sera successiva; sua madre Lorraine è una donna alcolizzata, imbruttita, trasandata e scontenta dalla non certo esaltante vita con George e non approva la relazione di Marty con Jennifer; i suoi due fratelli maggiori Dave e Linda svolgono lavori poco appaganti e vivono ancora a casa con i genitori.

Il migliore amico di Marty è un anziano, bizzarro e geniale scienziato di nome Emmett Brown, da lui chiamato "Doc", considerato fin troppo eccentrico da parte della comunità di Hill Valley. Quest'ultimo chiede al ragazzo di raggiungerlo quella stessa notte nel parcheggio del Twin Pines Mall, un grande centro commerciale, per filmare un misterioso esperimento.

Una volta giunto sul posto, Marty scopre che lo scienziato ha costruito una macchina del tempo modificando una DeLorean DMC-12. L'esperimento da filmare consiste nell'inviare nel futuro (un minuto avanti, nello specifico) il cane di Doc, Einstein. Il viaggio nel tempo avviene tramite il "flusso canalizzatore", dispositivo costituito da tre tubi elettronici disposti a Y, che si attiva automaticamente quando la vettura raggiunge la velocità di 88 miglia orarie.

L'esperimento riesce, con la macchina del tempo che svanisce per poi ricomparire dopo un minuto, ma subito dopo sopraggiunge un commando terroristico dalla Libia (al tempo uno stato canaglia degli Stati Uniti) a cui Doc aveva sottratto del plutonio, necessario per innescare una reazione nucleare che fornisce energia al flusso canalizzatore. Doc viene ucciso dai terroristi con una scarica di mitra e Marty fugge con la DeLorean, raggiungendo la velocità di 88 miglia orarie e senza sapere di aver inavvertitamente attivato i tempocircuiti. Si ritrova così catapultato al 5 novembre 1955, data che Doc aveva digitato sul display per spiegare a Marty il funzionamento della macchina, in corrispondenza della quale aveva avuto per la prima volta una visione del flusso canalizzatore. Dopo il viaggio, la DeLorean non può ripartire per ritornare nel futuro, in quanto ogni carica di plutonio consente un singolo viaggio e Marty, impegnato a scappare dai libici, non ha portato con sé altre cariche, quindi rimane bloccato nel 1955.

Marty visita così la Hill Valley degli anni '50, tranquilla cittadina di provincia, alla ricerca del giovane Doc per farsi aiutare a tornare indietro nella sua epoca; entrando in un bar per telefonargli, si imbatte nel proprio futuro padre, puntualmente vessato dal giovane Biff e, nel seguirlo, finisce per intromettersi nel suo passato, salvandolo dall'essere investito da una macchina, guidata dal padre di Lorraine, venendo investito lui al posto suo. Marty incappa così anche nella sua futura madre Lorraine che, in quest'epoca, è una ragazza civettuola e svampita, la quale si invaghisce di lui nelle stesse modalità con le quali si era invaghita di George nel 1955 originale, cioè ritrovandosi a soccorrerlo e ospitarlo a casa sua dopo che, tentando di spiare nella finestra della camera di Lorraine arrampicandosi su un albero, era caduto ed era stato investito dall'auto del padre di lei.

In seguito, Marty raggiunge finalmente il giovane Doc, il quale, inizialmente scettico, supera ogni incredulità quando il ragazzo gli racconta che il Doc del futuro aveva digitato proprio quella data del 1955 perché quello era stato il giorno in cui aveva trovato l'ispirazione che lo avrebbe poi condotto alla sua invenzione di trent'anni dopo, cosa accaduta effettivamente al Doc del passato solo qualche ora prima dell'arrivo di Marty. I due si recano così a rimorchiare la macchina del tempo, nascosta dal ragazzo dietro a un cartellone pubblicitario, sino al garage dello scienziato.

Purtroppo non c'è modo di reperire il plutonio necessario per far funzionare la macchina. L'unica alternativa per ricavare la potenza elettrica richiesta, pari a 1,21 GW, sarebbe sfruttare la scarica di un fulmine, che Doc non considera praticabile data l'impossibilità di prevedere dove e quando un simile evento potrebbe accadere. Marty, tuttavia, riaccende la speranza, in quanto sa che un fulmine si abbatterà sulla torre dell'orologio del tribunale di Hill Valley alle 22:04 del 12 novembre 1955, di lì a una settimana: l'evento era rimasto nella storia della piccola cittadina, ricordato nel futuro proprio perché il fulmine era stato così potente da danneggiare l'orologio, mai più riparato da allora.

Nel frattempo, Marty deve rimediare ai cambiamenti che stanno minacciando la sua futura famiglia e la sua stessa esistenza, ovvero far cambiare idea alla sua futura madre, ancora innamorata di lui. Marty cerca così di fare amicizia con il timido e impacciato George, spingendolo con ogni mezzo ad avvicinarsi a Lorraine per invitarla al ballo della scuola, chiamato Incanto sotto il mare, che si terrà proprio la sera in cui Marty dovrebbe tornare nel futuro. Nel frattempo, tentando di difendere il futuro padre, Marty si imbatte ancora in Biff, scontrandosi col bullo e facendolo schiantare con la macchina contro un camion di letame. Alla fine, avendo compreso la passione di George per la fantascienza, Marty si intrufola nella sua camera vestito con una tuta antiradiazioni che aveva portato dal futuro e si presenta come l'alieno Dart Fener, venuto dal pianeta Vulcano, spaventando George e convincendolo a invitare Lorraine. Per conquistare il cuore della ragazza, Marty propone al futuro padre di prendere parte a una messinscena in cui questi deve salvare la ragazza da una prepotenza dello stesso Marty.

Le cose vanno diversamente: Lorraine si fa accompagnare al ballo in macchina dal suo futuro figlio e lo bacia ardentemente, per poi dire di aver provato un senso di disagio e di sentirsi come se avesse "baciato suo fratello". Biff, desideroso di vendetta verso Marty e George per i recenti episodi, sopraggiunge con i suoi amici e tenta di costringere Lorraine ad avere un rapporto con lui, mentre i suoi amici chiudono Marty nel bagagliaio di un'auto. Quando George sopraggiunge, deciso a recitare la parte che aveva concordato con Marty, si trova invece davanti Biff, che vorrebbe quindi pestarlo: grazie ai consigli di Marty, tuttavia, George trova il coraggio di reagire e con un pugno mette al tappeto Biff, riscattandosi definitivamente. Marty viene salvato dai membri dell'orchestrina che intratteneva il ballo, proprietari dell'auto in cui era stato chiuso. La missione non è ancora finita: il leader del gruppo musicale, Marvin Berry, un ipotetico cugino del celebre Chuck, si è ferito la mano nel liberare Marty e non può continuare a suonare la chitarra, così Marty, che nel 1985 ha sentito raccontare ai genitori che quello fu il ballo in cui si diedero il primo bacio, lo sostituisce per l'ultima parte della serata. Durante il ballo, Lorraine e George finalmente si baciano e il futuro di Marty è così salvo. Invitato quindi dagli altri orchestrali a suonare ancora, Marty si trova a eseguire Johnny B. Goode, celebre brano rock 'n' roll all'epoca non ancora composto, che sarebbe stato portato al successo tre anni dopo dallo stesso Chuck Berry, al quale il cugino Marvin lo fa sentire per telefono, creando così un ironico paradosso temporale.

Salutati i futuri genitori, il ragazzo raggiunge Doc nella piazza davanti al tribunale di Hill Valley, dove sta per cadere il fulmine, e gli consegna una lettera dove gli svela che nel 1985 morirà per mano terroristica. Doc, non volendo conoscere il suo avvenire per non rischiare di perturbarlo, si rifiuta di leggerla e la strappa. Non avendo più tempo, Marty torna a bordo della DeLorean e cerca di portarla a 88 miglia orarie nell'istante in cui il fulmine colpirà la torre dell'orologio. Dopo un piccolo imprevisto, tramite un cavo aereo teso da Doc e un gancio collegato alla vettura, l'elettricità del fulmine viene correttamente convogliata ai circuiti del tempo e la DeLorean con a bordo Marty ritorna al futuro; Marty, poco prima di partire, decide di anticipare leggermente il momento di arrivo, in modo tale da tentare anche di salvare Doc dai libici.

Una volta tornato nel 1985, un problema all'auto lo costringe a recarsi a piedi al Twin Pines Mall, che in questa nuova versione del 1985 si chiama Lone Pine Mall (in quanto Marty, sopraggiunto nel 1955, aveva abbattuto per sbaglio con la DeLorean uno dei due pini che gli avrebbero dato il nome); vi arriva giusto in tempo per vedere i terroristi che sparano al Doc del 1985 e il sé stesso del 1985 scomparire nel passato (e a seguito di ciò i libici finiscono fuori combattimento andandosi a schiantare con il loro furgone contro un distributore di videocassette). Proprio quando pensa di avere fallito, scopre però che il presente gli riserva più di una sorpresa: Doc, nonostante i colpi ricevuti, si è salvato indossando un giubbotto antiproiettile e gli rivela di averci ripensato e di aver ricomposto e letto la missiva, premunendosi contro gli assassini. Il cambiamento più importante, tuttavia, avviene nella famiglia di Marty, il quale, tornato a casa e svegliatosi la mattina dopo, trova un clima totalmente diverso: George è un uomo di successo, felice e sicuro di sé, che sta per pubblicare il suo primo romanzo di fantascienza, Lorraine è una donna in forma smagliante e approva la sua relazione con Jennifer, Dave e Linda hanno una brillante carriera, Biff è il servile gestore di un autolavaggio e nel garage della casa, invece della vecchia auto sfasciata di George, si trova la 4×4 che Marty aveva sempre desiderato. Marty, modificando il passato, ha fatto sì che il sogno americano si avverasse nel presente per la sua famiglia. Pronto a cominciare una nuova vita tra la serenità e il lusso assieme alla fidanzata Jennifer, i due sono raggiunti inaspettatamente da Doc a bordo della macchina del tempo che li esorta a partire per un nuovo viaggio temporale per salvare nuovamente la famiglia McFly, ma stavolta nel futuro.

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